질화갈륨(GaN) 반도체는 1990년대 초에 처음으로 고휘도 청색 발광 다이오드(LED)로 상업적으로 실행 가능해졌고 이후 코어 반도체로 사용되기 시작한 이후 많은 발전을 이루었습니다. technology Blu-ray 광디스크 플레이어용. 이 기술이 높은 전력 효율을 지닌 전계 효과 트랜지스터(FET)에 대해 상업적으로 실행 가능해지기까지는 거의 20년이 걸렸습니다.
GaN은 이제 가장 빠르게 성장하는 부문 중 하나를 대표합니다. 반도체 지속 가능성과 전기화 목표를 달성하기 위해 더 높은 에너지 효율성을 갖춘 장치에 대한 수요에 힘입어 연평균 성장률이 25%~50%에 달할 것으로 예상됩니다.
GaN 트랜지스터는 실리콘 트랜지스터보다 더 작고 효율이 높은 장치를 설계하는 데 사용할 수 있습니다. 처음에는 고전력 마이크로파 증폭기 시스템에 사용되었지만 GaN 제조의 규모의 경제와 작고 더 강력한 증폭기를 생성할 수 있는 능력으로 인해 소비자, 산업 및 군용 애플리케이션에 걸쳐 수십억 달러 규모의 장치 시장을 창출하는 데 사용이 확대되었습니다.
실리콘 MOSFET은 전력 전자 장치의 이론적 한계에 도달한 것으로 널리 알려져 있으며, GaN FET는 여전히 성능 향상을 위한 큰 잠재력을 갖고 있습니다. GaN 반도체는 가장 일반적으로 실리콘 카바이드(SiC) 기판을 사용하며, 그 다음으로 더 경제적인 실리콘, 성능이 가장 뛰어나고 가장 비싼 다이아몬드가 그 뒤를 따릅니다. GaN 장치는 실리콘 기반 장치보다 더 높은 전자 이동성과 속도로 더 높은 온도에서 작동하며 역회복 전하가 낮거나 0입니다.
GaN 전력 반도체는 갈륨비소(GaAs) 전력 증폭기 반도체보다 전력 밀도가 약 80배 더 높습니다. 전력 효율이 XNUMX% 이상인 GaN 반도체는 GaAs 및 측면 확산 금속 산화물 반도체(LDMOS)와 같은 대안에 비해 우수한 전력, 대역폭 및 효율성을 제공합니다. 이 기술은 이제 고속 충전 전원 어댑터부터 자동차용 첨단 운전자 보조 시스템(ADAS)에 통합된 빛 감지 및 거리 측정(LiDAR) 장치에 이르기까지 다양한 애플리케이션에 활용되고 있습니다.
데이터 센터는 더 낮은 비용으로 증가하는 전력 소비 및 냉각 요구 사항을 충족할 수 있을 뿐만 아니라 규제 및 정치 분야에서 운영자가 직면하고 있는 증가하는 환경 분쟁을 해결하는 데 도움을 줄 수 있는 GaN 기반 장치의 또 다른 신흥 시장을 대표합니다.
반도체 제조업체와 시장 조사 회사에서는 더욱 효율적인 배터리부터 배터리 견인 인버터까지 전기 자동차의 저전압 및 고전압 애플리케이션 시장이 성장할 것으로 예상합니다.
이는 GaN과 마찬가지로 "전력 전자 부품을 더 작고, 더 빠르고, 더 안정적으로 만들 수 있는 전자 이동도가 높은 WBG(와이드 밴드갭) 반도체로 분류되는 SiC 장치가 현재까지 지배해 온 영역입니다. 실리콘(Si) 기반 제품보다 더 효율적입니다.” GaN의 밴드갭은 SiC의 3.4eV, SI의 2.2eV에 비해 1.12eV입니다.
GaN 및 SiC 전력 반도체는 실리콘보다 더 높은 주파수에서 작동하고 스위칭 속도가 더 빠르며 전도 저항이 더 낮습니다. SiC 장치는 더 높은 전압에서 작동할 수 있는 반면 GaN 장치는 더 낮은 에너지로 더 빠른 스위칭을 제공하므로 설계자는 크기와 무게를 줄일 수 있습니다. SiC는 최대 1,200V를 지원할 수 있는 반면 GaN은 일반적으로 최대 650V에 더 적합한 것으로 간주되어 왔습니다. 그러나 최근에 더 높은 전압 장치가 도입되었습니다.
GaN은 GaAs 및 기타 반도체에 비해 약 10배 더 넓은 주파수 범위 전력을 제공할 수 있습니다(그림 1).
디자인 고려 사항
전 세계적으로 소비되는 전기 에너지의 70% 이상이 전력 전자 장치에 의해 처리되는 것으로 추정됩니다. GaN의 WBG 특성을 통해 설계자는 더 높은 전력 밀도, 우수한 효율성 및 초고속 스위칭 속도를 활용하여 더 작은 전력 전자 시스템을 만들 수 있습니다.
이 기술은 전력 전자, 자동차, 태양 에너지 저장, 데이터 센터 등 다양한 시장에서 혁신을 가능하게 합니다. 방사선에 대한 내성이 뛰어난 GaN 장치는 새로운 군사 및 항공우주 애플리케이션에 매우 적합합니다.
일부 전자 설계자는 재료 비용에 대한 잘못된 인식으로 인해 GaN 전력 장치를 멀리했을 수 있습니다. GaN 기판의 제조는 처음에는 Si보다 훨씬 높았지만 그 차이는 상당히 줄어들었으며 다양한 기판을 활용함으로써 설계자는 비용과 성능 간의 최상의 균형점을 찾을 수 있습니다.
GaN-on-SiC는 비용과 성능을 최대한 절충하여 설계자에게 가장 광범위한 시장 잠재력을 제공합니다. 그러나 GaN-on-Si 및 GaN-on-diamond 옵션을 사용하면 제품 설계자는 조직과 고객의 가격/성능 요구 사항을 충족하는 가장 적절한 기판을 선택할 수 있습니다.
GaN의 스위칭 속도가 매우 높기 때문에 설계자는 전자기 간섭(EMI)과 전력 루프 레이아웃에서 EMI를 완화할 수 있는 방법에 특별한 주의를 기울여야 합니다. 전압 오버슈트를 방지하는 데 필수적인 액티브 게이트 드라이버는 파형 전환으로 인한 EMI를 줄일 수 있습니다.
또 다른 주요 설계 문제는 잘못된 트리거링을 초래할 수 있는 기생 인덕턴스와 커패시턴스입니다. 성능 이점을 극대화하는 것은 측면 및 수직 전원 루프의 최적 레이아웃과 드라이버 속도를 장치 속도에 맞추는 데 달려 있습니다.
또한 설계자는 성능과 신뢰성을 손상시킬 수 있는 과도한 가열을 방지하기 위해 열 관리를 최적화해야 합니다. 패키징은 인덕턴스를 줄이고 열을 발산하는 능력을 평가해야 합니다.
Analog Devices, GaN 전력 증폭기 공급
전자 시스템에서는 에너지 공급 전압과 전원을 공급해야 하는 회로 전압 간의 변환이 필요합니다. 오랫동안 선도적인 반도체 회사인 Analog Devices, Inc.(ADI)는 지원과 함께 업계 최고의 GaN 전력 증폭기 성능을 제공하여 설계자가 최고의 성능 목표를 달성하고 솔루션을 더 빨리 시장에 출시할 수 있도록 하는 것을 목표로 합니다.
GaN 전력 장치의 이점을 극대화하려면 게이트 드라이버와 강압(또는 벅) 컨트롤러가 필수적입니다. 하프 브리지 GaN 드라이버는 전력 시스템의 스위칭 성능과 전반적인 효율성을 향상시킵니다. DC-DC 강압 컨버터는 더 높은 입력 전압을 더 낮은 출력 전압으로 변환합니다.
ADI는 상단 및 하단 구동기 단계, 구동기 논리 제어, 보호 기능 및 부트스트랩 스위치를 통합하는 8418V 하프 브리지 GaN 구동기인 LT100을 제공합니다(그림 2). 동기식 하프 브리지 벅 또는 부스트 토폴로지로 구성할 수 있습니다. 분할 게이트 드라이버는 GaN FET의 켜기 및 끄기 슬루율을 조정하여 EMI 성능을 최적화합니다.
ADI GaN 드라이버 입력 및 출력은 GaN FET의 잘못된 켜짐을 방지하기 위해 기본 낮은 상태를 갖추고 있습니다. 10ns의 빠른 전파 지연과 상단 및 하단 채널 간 1.5ns의 지연 정합을 갖춘 LT8418은 고주파 DC/DC 컨버터, 모터 드라이버, 클래스 D 오디오 증폭기, 데이터 센터 전원 공급 장치, 소비자, 산업 및 자동차 시장 전반에 걸쳐 광범위한 전력 애플리케이션을 제공합니다.
LTC7890 및 LTC7891(그림 3)은 각각 고성능, 듀얼 및 단일 강압 DC-DC 스위칭입니다. 조정기 최대 100V의 입력 전압에서 N 채널 동기식 GaN FET 전력단을 구동하기 위한 컨트롤러입니다. 설계자가 GaN FET를 사용하여 직면하는 많은 문제를 해결하기 위한 목적으로 이 컨트롤러는 일반적으로 사용되는 보호 다이오드 또는 기타 추가 외부 부품이 필요하지 않아 애플리케이션 설계를 단순화합니다. 실리콘으로 MOSFET 솔루션을 제공합니다.
각 컨트롤러는 설계자에게 게이트 드라이버 전압을 4V에서 5.5V까지 정밀하게 조정하여 성능을 최적화하고 다양한 GaN FET 및 로직 레벨 MOSFET을 사용할 수 있는 기능을 제공합니다. 내부 스마트 부트스트랩 스위치는 데드 타임 동안 BOOSTx 핀이 SWx 핀 하이 측 드라이버 공급 장치에 과충전되는 것을 방지하여 상단 GaN FET의 게이트를 보호합니다.
두 구성 요소 모두 거의 40에 가까운 데드 타임을 위해 두 스위칭 에지의 게이트 드라이버 타이밍을 내부적으로 최적화하여 효율성을 향상하고 고주파수 작동을 허용합니다. 설계자는 외부 저항기를 사용하여 데드 타임을 조정할 수도 있습니다. 이 장치는 QFN(Quad Flat No-Lead) 패키지의 측면 습식 측면과 함께 제공됩니다. 회로도는 6리드, 6mm x 7890mm LTC4(그림 28) 및 4리드, 5mm x 7891mm LTC5(그림 XNUMX) 구성의 일반적인 응용 회로를 보여줍니다.
또한 설계자는 ADI 전원 관리 도구 포트폴리오를 활용하여 전원 공급 장치 성능 목표를 달성하고 보드를 최적화할 수도 있습니다. 도구 세트에는 가변 벅 저항기 계산기, 신호 체인 전력 구성기 및 Windows 기반 개발 환경이 포함되어 있습니다.
결론
GaN은 높은 전력 밀도, 초고속 스위칭 속도 및 우수한 전력 효율성을 갖춘 부품을 생산하는 데 사용되는 변형 반도체 소재입니다. 제품 설계자는 ADI의 GaN FET 게이트 드라이버 제품을 활용하여 더 적은 수의 구성 요소로 보다 안정적이고 효율적인 시스템을 만들 수 있으므로 설치 공간과 무게가 감소된 더 작은 시스템을 만들 수 있습니다.