전력 애플리케이션에서 질화갈륨(GaN) 장치는 기존 실리콘 MOSFET 장치에 비해 상당한 성능 및 효율성 이점을 제공합니다. 질화갈륨 장치는 더 높은 밀도, 더 빠른 스위칭 속도 및 더 높은 에너지 효율성으로 다양한 산업의 요구를 충족할 수 있습니다. 그러나 일부 애플리케이션의 경우 상당한 설계 문제에 직면하게 됩니다.
소형 USB-C 충전기와 전자 자동차 충전기부터 태양광 및 데이터 센터 애플리케이션에 이르기까지 설계자는 GaN 반도체 기술을 활용하여 더 작고 가벼우며 더 나은 냉각 제품을 만들고 싶어합니다.
GaN 장치의 빠른 스위칭 속도를 고려할 때 설계자는 기생 인덕턴스, 보다 정확한 게이트 제어 요구 사항, 게이트 누설 전류 및 역방향 전도 전압 강하를 포함한 여러 가지 과제에 직면하게 됩니다.
전용 GaN 컨트롤러는 특정 GaN 기반 애플리케이션을 설계하는 데 이상적인 선택입니다. 예를 들어 Analog Devices, Inc.는 다양한 GaN 전력 컨트롤러를 제공합니다. 설계자는 지능형 부트스트랩 스위치가 통합된 LT8418 100V 하프 브리지 GaN 구동기와 같은 간단한 전용 GaN FET 구동기를 활용할 수 있습니다(그림 1).
그림 1: ADI의 전용 LT8418 하프 브리지 GaN 드라이버. (이미지 출처: Analog Devices, Inc.)
이 장치는 별도의 게이트 드라이버를 사용하여 온 및 오프 기간 동안 GaN FET의 슬루율을 정밀하게 제어함으로써 링잉을 억제하고 EMI 성능을 향상시킵니다. 또한 이 장치는 WLCSP(웨이퍼 레벨 칩 레벨 패키징)를 사용하여 기생 인덕턴스를 최소화합니다.
또한 GaN FET용 LTC7890 및 LTC7891(그림 2) 고성능 이중 벅 DC/DC 스위칭 조정기 컨트롤러와 같은 더 복잡한 컨트롤러를 선택할 수 있습니다.
그림 2: GaN FET에 적합한 고성능 ADI LTC7891 DC/DC 스위칭 조정기 컨트롤러. (이미지 출처: Analog Devices, Inc.)
실리콘 MOSFET 솔루션과 달리 LTC7890/LTC7891 장치에는 보호 다이오드나 기타 외부 구성 요소가 필요하지 않습니다. 이러한 장치의 게이트 구동 전압은 4V ~ 5.5V 사이에서 정밀하게 조정되어 성능을 최적화하고 다른 GaN FET 또는 로직 레벨 MOSFET의 사용을 지원할 수 있습니다.
실리콘 컨트롤러가 유일한 옵션인 경우
현재 4스위치 벅 부스트 컨트롤러와 같은 주요 구성 요소를 위한 전용 GaN 컨트롤러는 없습니다. 주의 깊게 작동하면 엔지니어는 원래 MOSFET용으로 설계된 컨트롤러를 사용하여 GaN FET를 구동함으로써 전력과 효율성을 향상시킬 수 있습니다. 실리콘 장치용 컨트롤러를 GaN 애플리케이션에 직접 사용하는 경우 부품 선택 및 회로 기판 설계 시 각별한 주의가 필요하며 다른 회로도 필요할 수 있습니다.
고전력 컨버터에서 기존 게이트 드라이버의 출력 전압은 일반적으로 5V보다 높으며 일반적으로 7V~10V 사이이며 때로는 그보다 더 높기도 합니다. 이 전압으로 GaN FET를 구동할 경우 GaN FET의 최대 정격 게이트 전압이 일반적으로 6V에 불과하기 때문에 문제가 발생할 수 있습니다. PCB의 부유 인덕턴스로 인한 전압 스파이크 또는 링잉으로 인해 이 제한이 잠시 초과되더라도 GaN 장치가 영구적으로 손상될 수 있습니다.
이러한 문제를 방지하려면 설계자는 컨트롤러를 올바르게 선택하고 특히 게이트 및 소스 반환 경로 주변의 PCB 레이아웃을 면밀히 모니터링하여 낮은 인덕턴스를 최대한 유지하고 불필요한 전압 오버슈트를 줄여야 합니다.
많은 MOSFET 드라이버는 조정되지 않은 실리콘 게이트 드라이버를 사용하지만 전압이 GaN FET의 절대 최대 전압 이상으로 표류할 수 있습니다. 설계 시 게이트 구동 전압 관리, 부트스트랩 전원 공급 장치 조절 및 데드 타임 최적화를 고려해야 합니다.
4스위치 벅 부스트 장치는 GaN FET에서 예상치 못한 과전압을 방지하기 위해 5V 게이트 컨트롤러를 사용해야 합니다. 우발적인 과전압으로부터 게이트를 보호하기 위해 클램프 회로 또는 게이트 전압 제한기와 같은 보호 부품을 도입하는 것도 중요합니다.
부트스트랩 커패시터와 병렬로 5.1V 제너 다이오드를 사용하면 ADI의 LT8390A를 5V 게이트 컨트롤러로 사용할 수 있습니다(그림 3). 이렇게 하면 권장 구동 레벨에서 게이트 전압이 고정되므로 장치는 항상 안전한 작동 범위 내에 있습니다. 더 많은 보호를 제공하기 위해 10Ω 저항을 부트스트랩 회로와 직렬로 연결하여 매우 빠른 고전력 스위칭 노드로 인해 발생할 수 있는 링잉 현상을 줄일 수 있습니다.