오늘날의 전자 세계에서는 의료 기기, 휴대폰, 노트북 충전기부터 보조 전원 공급 장치에 이르기까지 전력 변환기가 필요합니다. 축소된 패키지 크기, 열 관리, 가변 입력 전압 및 스마트 충전 프로토콜은 모두 전력 및 컨버터 설계를 복잡하게 만들고 더 높은 에너지 효율성을 요구합니다.
지난 10년 동안 질화갈륨(GaN) 온칩 집적 회로(IC)를 사용하는 새로운 스위칭 기술이 등장했습니다. 질화갈륨 회로는 원자 수준 특성이 다르기 때문에 전력 변환기 설계자는 과제와 솔루션 모두에 직면합니다.
GaN 반도체는 밴드갭이 매우 넓습니다. 3.4eV에서는 밴드갭이 실리콘 반도체의 3배 이상입니다. 다른 넓은 밴드갭 재료와 마찬가지로 GaN 반도체는 최대 +400°C의 더 높은 전압과 온도에서 작동할 수 있으므로 더 높은 전력 애플리케이션, 더 높은 주파수, 무선 주파수(RF) 및 5G 애플리케이션에 적합합니다.
전력 변환기 응용 분야에서 GaN IC는 실리콘 IC보다 작은 전체 크기에서 직렬 임피던스(RDS(ON) 및 병렬 정전 용량(COSS)과 같은 트랜지스터 관련 손실을 최적화합니다. 실리콘 IC와 동일한 설치 공간 내에서 GaN IC는 더 높은 주파수는 물론 더 적은 열을 처리할 수 있습니다. 이 기능을 통해 설계자는 부피가 큰 라디에이터를 줄이거나 제거할 수 있습니다.
그러나 GaN 트랜지스터를 제어하는 것은 번거로울 수 있습니다. 이러한 유형의 트랜지스터가 고주파수를 견딜 수 있다는 것은 제어 드라이버가 지연을 제거하고 불필요한 전자기 간섭(EMI)을 방지하기 위해 이 트랜지스터의 스위칭 속도를 효과적으로 줄이기 위해 이 트랜지스터에 물리적으로 가까이 있어야 함을 의미합니다. GaN을 사용하는 전력 변환기 설계자는 1차측(입력)용 고전압 전원 스위치와 2차측(출력)용 제어 IC 및 피드백 회로를 결합하는 단일 장치를 사용하여 이러한 문제를 해결합니다.
스위치 동작의 세부 특성
Power Integrations는 PopwiGaN™ 기술 InnoSwitch3 제품을 사용하여 이러한 패키징 장치의 여러 시리즈를 개발했습니다. 예를 들어 InnoSwitch3-CP 시리즈 전송 스위치 IC(그림 1)는 유사 공진(QR) 반여기 컨트롤러를 사용하여 정전압(CV)/정전류(CC) 출력을 제공하여 정전력(CP) 곡선을 달성합니다.
이 IC의 1차측과 2차측은 전기적으로 절연되어 있지만 출력 전압 및 전류 정보는 유도 결합을 통해 2차측 컨트롤러에서 1차측 컨트롤러로 전송됩니다. FluxLink 통신 기술은 빠른 부하 과도 응답 및 최대 70kHz의 스위칭 주파수에 대한 빠르고 정확한 정보를 제공합니다.
Power Innovations InnoSwitch3-CP 시리즈 전환 스위치 IC
그림 1: InnoSwitch3-CP 시리즈 전환 스위치 IC의 1차 및 2차 컨트롤러는 전기적으로 절연되어 있지만 피드백은 플럭스 링크(점선)를 통해 공유될 수 있습니다. 이미지 출처: Power Innovations)
InnoSwitch3-CP 시리즈 집적 회로는 방열판 없이 50W ~ 100W의 전력을 처리하므로 전원 공급 장치의 총 부피가 줄어듭니다. 이러한 구성 요소는 정격 연속 작동 전압이 650V이지만 최대 750V의 서지를 견딜 수 있습니다.
InnoSwitch3-CP 시리즈 IC를 사용하는 전원 공급 장치의 경우 허용 부하 범위 내에서 94%의 에너지 효율성이 달성되는 반면, 실리콘 기반 스위치는 약 90%의 에너지 효율성을 달성합니다. InnoSwitch3-CP 시리즈는 에너지 효율적일 뿐만 아니라 전력 소비가 매우 낮아(30mW 미만) 글로벌 에너지 효율성 규정을 충족하는 데 도움이 됩니다.
안전을 보장하고 부품 수명을 연장하기 위해 InnoSwitch3-CP 시리즈 IC는 1차측과 2차측 사이에 향상된 4000VAC 갈바닉 절연을 제공하고 UL(Underwriters Laboratories) 1577을 준수하며 각 장치는 HIPOT 테스트를 통과합니다. 다른 안전 기능으로는 동기 정류기 전계 효과 트랜지스터(SR FET) 게이트 개방 회로, 입력 라인 저전압 또는 과전압, 출력 과전압에 대한 감지 및 응답이 있습니다. 또한 IC 컨트롤러는 과전류를 제한하고 과열이 발생하기 전에 차단됩니다.
InnoSwitch3-EP 시리즈 IC(그림 2)는 InnoSwitch3-CP 시리즈 IC와 유사합니다. 이 IC는 단일 정전력 출력에 최적화되지 않았지만 가중 SSR(2차 측 조절) 기술을 사용하여 여러 채널의 출력 전압을 제어 신호로 평균화합니다.