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자동차 DC-DC 애플리케이션을 위한 eGaN® FET 및 IC

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자료제공/EPC

마일드 하이브리드 전력을 위한 48VIN ~ 12VOUT 

2025년까지 전세계적으로 판매되는 자동차의 10대중한 대는 48V 마일드 하이브리드가 될 것이다. 48V시스템은 연비를 10 ~ 15%까지 향상시킬 수 있으며,엔진 크기를 늘리지 않고도 4배의 출력을 제공하고,이산화탄소 배출량을 25%까지 줄일 수 있다.

48V 버스 전력분배에 대한 요구는 최신 자동차에채택되고 있는 전력소모가 큰 새로운 전자식 구동장치들과기능들로 인해 갈수록 증가하고 있다. 몇가지 예로, 전자식 시동 장치나 전자식 조향, 전자식서스펜션, 전자식 터보 수퍼차징 및 가변속도 에어컨등을 들 수 있다.

그리고 이제 자율주행 자동차가 등장하면서 라이다,레이더, 카메라 및 초음파 센서와 같은 추가적인시스템요구사항에 대해서도 전력분배 시스템을 통해충족해야 한다. 이러한 자율주행 차량은 데이터를수집하고,해석하고, 통합 및 분석하기 위해 고성능그래픽 프로세서가 필요하다. 이러한 프로세서는전력을 많이 소모하기 때문에 기존의 자동차용 12V배전 버스에 부담을가중시킨다.

[그림 1] 비슷한 온 저항 값으로 100V GaN 트랜지스터와 Si MOSFET의 시장 가격 비교

왜 GaN인가?

48V 버스 시스템의 경우, GaN 기술을 통해 효율성을 높이고, 크기와 시스템 비용을 절감할 수 있다. 고속 스위칭 속도를 제공하는 GaN 기반 솔루션은 위상 당 125kHz에서 동작하는 기존 MOSFET 솔루션과 달리 위상 당 250kHz에서 동작할 수 있다. 예를 들어, 3kW, 48V ~ 12VDC-DC 컨버터의 경우 이러한 높은 스위칭 주파수를 통해 5상 시스템에서 4상 시스템으로 줄일수 있어 크기와 비용을 모두 절감할 수 있다. 그림 2에서 볼 수 있듯이, GaN 기반 솔루션은 크기가 35% 더 작기 때문에 인덕터DCR 손실을 10W까지 낮출 수 있으며, MOSFET 솔루션에비해 비용을 약 20%가량 절감할 수 있다.

GaN은 ... 더 작다

[그림 2] 비슷한 온 저항으로 80~100V GaN과 MOSFET 디바이스 비교. eGaN FET이 훨씬 더 작은 크기에도 불구하고 열적으로 훨씬 더 효율적이라는 것을 알 수 있다. 

GaN은 ... 더 효율적이다

[그림 3] EPC2152는 모노리딕 전원 스테이지 디바이스이다. 왼쪽은 블록 다이어그램이고, 오른쪽은 10mm2 GaN 칩 모습을 볼 수 있다.

GaN은 ... 더 저렴하다

인포테인먼트를 위한 12~24VIN ~ 3.3VOUT

    

자동차 인포테인먼트 시스템의 전세계 출하량은 2022년까지 1억 8,300만 대를 초과할 것으로예상되고 있다.(스태티스타(Statista)전망자료) 최신 인포테인먼트 시스템은 터치 스크린 기능과블루투스 통신, 디지털 및 고화질 TV와 위성 라디오, GPS 내비게이션 및 게임 등과 같은 여러 첨단 기능을갖추고 있다. 이러한 시스템은 추가적인 차량의 전원시스템을 필요로 한다.

GaN 디바이스는 실리콘 MOSFET에 비해 크기가 훨씬 작고, 커패시턴스도 적다. GaN 트랜지스터는 최신 실리콘 MOSFET에 비해 뛰어난 성능지수(FOM: Figure of Merit)를 가지고 있기 때문에 설계자는 더 작고, 더 효율적이고, 열 문제 및비용을 절감할 수 있는 훨씬 더 뛰어난 시스템을만들 수 있다(그림 4).

[그림 4] 48V - 12V 벅 컨버터로 모노리딕 EPC2152를 사용할 때와 GaN 디스크리트 디바이스에 실리콘 드라이버 IC를 사용할 때의 효율 비교. EPC2152를 사용한 솔루션이 크기가 35% 더 작고 효율이 더 높다. MOSFET 기반 벅 컨버터는 효율이 훨씬 더 낮다.

이러한 성능지수를 통해 어떠한 성능을 구현할 수 있는지 알아보기 위해 12V ~ 24V 입력 범위와 3.3V 출력을 가진 시스템에 실리콘 MOSFET 솔루션과 100V eGaN FET를 구현하여 성능을 비교했다. 두컨버터는 2MHz에서 10A로 동작한다. 24V 입력에서 eGaN 솔루션은 약 7% 더 높은 피크 효율과 3.1W 더 낮은 전력 손실을 나타냈다(그림 5).

[그림 5] 2015년 이후로 48V - 12V DC-DC 컨버터의 벤치마크 전력 밀도가 8배 가까이 향상되었다.

인포테인먼트 소개

GaN은 ... 열 성능이 뛰어나다

eGaNFET의 크기는 상당히 작지만, 효율성이 높고, 전력 손실이 적기 때문에 GaN기반 솔루션은 더 큰 MOSFET 솔루션에비해동작시열발생이적다. 그림6은 공기흐름과 히트싱크가 없는 24V 입력, 3.3V 출력, 2 MHz에서 동작하는 두 보드의 열성능을 보여준다. GaN 기반 솔루션 보드의 핫스팟은 실리콘 보드에 비해 10℃더 낮다. 

[그림 6] 3개 EPC2152 GaN 전원 스테이지 IC를 사용한 100kHz BLDC 모터 드라이브는 20kHz로 동작하는 MOSFET 기반 인버터에 비해서 시스템 효율을 10% 향상시키고 크기는 절반으로 줄인다.

48V 자동차용 레퍼런스 디자인

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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