최근 최신 USB-C 충전기, 통신용 정류기 또는 서버 전원 공급 장치의 마케팅 자료를 보신 적이 있다면, 설계를 이끄는 세 글자를 이미 보셨을 가능성이 높습니다. 바로 GaN입니다. 다양한 산업 분야의 설계 엔지니어와 부품 구매 담당자를 모두 지원하는 OnlineComponents.com에서는 질화갈륨 소자가 AC/DC 및 DC/DC 전원 공급 장치와 모터 드라이버에서 “거의 알려지지 않은” 존재에서 “어디에서나 볼 수 있는” 존재로 변화하는 것을 목격하고 있습니다. GaN이 이렇게 많은 관심을 받게 된 이유와 부품을 검증하거나 자재 명세서를 작성할 때 확인해야 할 사항을 살펴보겠습니다.

 

GaN이 제공하는 것

GaN은 실리콘보다 훨씬 높은 임계 전기장과 전자 이동도를 갖춘 광대역 반도체입니다. 실제로 이는 실리콘 MOSFET에 비해 정전 용량이 낮고, 스위칭 속도가 빠르며, 스위칭 손실이 크게 줄어든 트랜지스터를 의미합니다. 실리콘 MOSFET의 바디 다이오드와 달리, GaN 전력 트랜지스터는 소수 캐리어에 의존하지 않으므로 역회복 전하가 기본적으로 0에 가깝습니다. 이러한 소자를 뒷받침하는 물리적 특성은 오늘날 더 작고, 더 시원하며, 더 효율적인 전원 공급 장치의 기반이 됩니다.

설계자들은 일반적으로 약 100~650볼트 범위, 소형 휴대폰 및 노트북 충전기, 그리고 많은 산업용 전원 공급 장치에 GaN을 사용합니다. 더 높은 전압과 더 큰 전력이 필요한 경우에는 전기차 구동 인버터나 차량에 내장된 충전기처럼 실리콘 카바이드가 더 적합한 경우가 많습니다. 두 소재 모두 차세대 반도체 소재이지만 서로 다른 범위에서 강점을 보이기 때문에 유통업체들은 대개 두 가지 옵션을 모두 제공합니다.

 

효율성과 전력 밀도: 구매자가 관심을 갖는 이유

질화갈륨은 낮은 손실로 빠르게 스위칭할 수 있기 때문에, 설계자들은 더 높은 스위칭 주파수(실리콘 기반 전원 공급 장치보다 흔히 2~5배 더 높음)를 추구합니다. 이를 통해 자성 부품과 커패시터를 소형화하고, 방열판 질량을 줄이며, 전체적인 전력 밀도를 높일 수 있습니다. 최근 큰 인기를 얻고 있는 소형 폼팩터의 고출력 USB-C Power Delivery 충전기와 전원 공급 장치를 뒷받침하는 것이 바로 이 기술입니다. 이러한 고주파, 고전압 시스템에서는 나노초당 수십 볼트가 흔할 정도로 슬루 레이트가 크게 높아지므로, 전자파 간섭(EMI)을 억제하기 위해 레이아웃 규율을 강조하는 레퍼런스 설계가 필요합니다.

이러한 모든 특징은 최종 사용자에게 실질적인 이점으로 이어집니다. 질화갈륨을 사용하면 동일하거나 오히려 더 나은 성능을 유지하면서도 시스템 비용을 낮출 수 있습니다. GaN 소자가 비슷한 사양의 실리콘 MOSFET보다 비쌀 수 있지만, 자성 부품(변압기 등), 커패시터, 열 관리 하드웨어, 인클로저 부피를 축소할 수 있기 때문에 시스템 비용은 오히려 낮아지는 경우가 많습니다. 이는 현대의 전원 설계자들이 시스템 설계자들과 매일 논의해야 할 자재 명세서에 관한 주제입니다.

이러한 전원 공급 장치의 높은 효율성은 그만큼 높은 효율 인증으로 이어지는 명백한 경로입니다. 데이터센터 및 PC용 전원 공급 장치는 에너지 효율 라벨을 두고 경쟁하며, GaN 기반 프런트엔드를 사용하면 부분 부하 및 전체 부하에서 PFC 및 1차 단 손실을 줄여 이러한 목표 달성을 더 쉽게 만들어 줍니다.

마지막으로, 더 작고 가벼운 제품은 모두에게 유익합니다. 어댑터와 내장형 전원 공급 장치의 경우, 배송 무게, 포트 밀도, 열적 편안함이 중요합니다. GaN의 밀도가 주는 이점은 많은 사람에게 명확하게 드러나며, 이러한 이점은 소매 매장 진열대에서도 확인할 수 있습니다. 멀티 포트 65~100와트 벽걸이 충전기는 기존 실리콘 제품에 비해 크기가 절반에 불과합니다. 실제로 최종 제품 마케팅에 “초소형” 또는 “주머니 크기”라는 표현이 사용된다면, 그 안에 질화갈륨이 탑재되어 있을 가능성이 높습니다.

 

질화갈륨에 따른 토폴로지 트렌드

GaN 기반 MOSFET만의 고유한 특성으로 인해 점점 더 널리 사용되는 몇 가지 토폴로지가 있습니다. 새로운 방식의 역률 보정 회로는 기존의 입력 다이오드 브리지를 대체합니다. 빠르고 깨끗한 스위칭 덕분에 이러한 방식이 실용적으로 가능해지며, 그 결과 더 높은 효율성과 더 적은 부품 수를 얻을 수 있습니다. 이 다이오드 브리지를 생략하려면 전기적 노이즈를 억제하기 위해 신중한 회로 레이아웃, 우수한 입력 필터링, 그리고 전류 감지와 스위치 타이밍에 대한 주의가 필요합니다.

공진형 컨버터를 사용하든 단순한 하프브리지를 사용하든, GaN을 사용하면 더 낮은 손실로 더 빠르게 스위칭할 수 있으므로 고주파 절연 단을 사용할 수 있습니다. 이를 통해 효율성을 포기하지 않으면서도 더 작은 변압기와 커패시터를 구현할 수 있습니다. 많은 설계자들은 질화갈륨 프런트엔드와 GaN 하프브리지를 결합하여 1차 측 전체가 더 시원하고 가볍게 동작하도록 합니다.

2차 측에서는 48볼트에서 12볼트로, 또는 12볼트에서 5볼트로 변환하는 것과 같은 저전압 강압 및 승압 단이 스위치가 켜지고 꺼질 때마다 낭비되는 에너지를 줄여줍니다. 그 결과, 변압기가 점점 작아지더라도 효율성을 유지하는 소형, 다중 출력 전원 공급 장치가 탄생합니다.

통합형 GaN 전력 단은 트랜지스터가 드라이버 및 보호 회로와 통합된 소자입니다. 통합화를 통해 민감한 배선 루프를 단축하여 고속 스위칭을 더 쉽게 제어할 수 있으며, 대개 PCB 설계도 단순화됩니다. 많은 팀에게 이는 신뢰성이 높고 고밀도인 설계를 구현하는 가장 빠른 방법입니다.

 

GaN 트랜지스터의 신뢰성

GaN 기술에 대한 초기 회의론자들은 동적 RDS(on) 변동, 검증 방법, 장기적인 게이트 신뢰성에 대해 우려했습니다. 이러한 우려에 대응하여 업계는 테스트 및 보고 관행을 표준화하고 애플리케이션과 관련된 수명 데이터를 발표하고 있습니다. 부품을 평가할 때는 여러분의 사용 사례와 유사한 스트레스 조건을 요청하고, 기존의 실리콘 MOSFET 테스트뿐만 아니라 GaN 전용 가이드라인에 부합하는 인증을 확인하시기 바랍니다.

설계자의 관점에서, 엔지니어링 및 소싱 팀에 권장하는 확인 또는 해결해야 할 항목에 대한 실용적인 체크리스트가 있습니다.  

• 전압 등급과 토폴로지 적합성. 오늘날 대부분의 GaN은 100~650V 범위에서 가장 이상적이므로, 이 범위에 해당하는 애플리케이션에서만 의미가 있습니다. 그렇다 하더라도 다른 모든 매개변수가 여러분의 요구 사항에 맞는지 확인해야 합니다.
• 통합형 대 분리형 드라이버. 드라이버와 보호 회로가 포함된 통합형 GaN 솔루션은 기생 성분과 설계 위험을 줄여줍니다. 반면 분리형 GaN 솔루션은 유연성을 제공하며 더 다양한 패키지 옵션을 제공할 수 있습니다.
• 열 보호. 효율성은 다른 많은 기술보다 높지만 패키지는 더 작습니다. 이 때문에 열 경로를 검증하는 것이 그만큼 중요합니다. 모든 전자 부품과 마찬가지로, 접합부 온도가 낮을수록 수명이 늘어나고 예상치 못한 디레이팅 문제를 피할 수 있습니다.
• 전자파 간섭(EMI) 대응 전략 - 빠른 에지는 전력을 절약해 주지만 원치 않는 전자파를 방출할 수 있습니다. 스너버 회로와 가능하다면 스프레드 스펙트럼을 위한 예산을 확보하고, 설계가 제대로 작동하면서도 방사 요건을 초과하지 않도록 초기 단계에서 공통 모드 전류를 시뮬레이션하시기 바랍니다.
• 공급망과 2차 공급원. 유통업체로서 저희는 전자 부품 조달의 어려움을 누구보다 잘 알고 있습니다. 다행히도 GaN에 대한 수요가 증가하면서, 여러 공급업체가 유사한 부품을 생산하는 다중 공급업체 시장으로 발전했습니다.  

요약

질화갈륨의 부상은 단순한 유행이 아닙니다. 이는 소재의 우위가 일상적인 설계 성과로 전환된 결과입니다. 엔지니어에게는 주류 도구와 레퍼런스 설계를 통해 더 높은 효율성, 더 높은 주파수, 더 높은 전력 밀도를 실현할 수 있게 해줍니다. 구매자에게는 시스템 비용을 낮추고, 크기와 무게를 줄이며, 공격적인 효율성 로드맵을 뒷받침할 수 있게 해줍니다. 부품을 검증할 때는 GaN 전용 신뢰성 데이터를 확인하고, 다중 공급업체 확보 여부를 점검하여 계획의 위험을 줄이시기 바랍니다.