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GaN ePower™ Stage IC를 사용해서 모터 드라이브 회로 설계 간소화

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글/Frederico Unnia, EPC

머리말 

갈륨 나이트라이드 디바이스가 전원 변환 분야로 혁신을 일으키고 있다. 모터 드라이브 애플리케이션으로 갈륨 나이트라이드 기반 인버터가 여러 가지 이점들을 가져오는 것으로 드러나고 있다.

참고문헌 [1]에서는 갈륨 나이트라이드 기술의 장점에 대해서 소개하고 있으며, 표 1은 갈륨 나이트라이드와 실리콘의 몇 가지 물리적 특성을 비교해서 보여준다.

위의 표에서는 임계 전계(critical field)를 언급하고 있는데, 이 특성이 디바이스의 항복 전압(breakdown voltage)을 결정한다. 두 특성은 드리프트 영역의 폭과 상관적이다. 특정한 항복 전압으로 전계가 클수록 드리프트 영역의 폭은 짧아진다. 갈륨 나이트라이드 기술이 임계 전계가 십여 배 더 높음으로써 훨씬 더 작은 크기의 디바이스를 가능하게 한다.

항복 전압 더불어, 향상 모드 갈륨 나이트라이드 트랜지스터는 GaN 층과 AlGaN 박막 층 사이에 형성되는 2차원 전자 가스(2DEG)를 특징으로 한다. 2DEG의 높은 전자 이동도가 디바이스의 온 저항을 낮게 함으로써 디바이스의 크기를 작게 할 수 있다.

더 높은 임계 전계와 2DEG의 높은 전자 이동도에 의해서 드리프트 영역의 폭이 더 짧으므로 측방향 전도 디바이스를 사용할 수 있다. 수직 전도 디바이스에 대해서 측방향 디바이스의 장점은 하프 브리지 회로처럼 동일한 서브스트레이트로 더 많은 수의 디바이스를 집적할 수 있다는 것이다.

EPC는 FET 및 하프 브리지 제품 외에도 전원 IC 제품을 제공한다. 전원 변환 관리를 위한 이들 디바이스 제품은 외부적 게이트 드라이버를 필요로 하지 않고 로직 기능을 특징으로 한다. 이러한 로직 입력 전원 출력(logic-in power-out) 디바이스 제품을 사용함으로써 전원 변환 회로를 어느 때보다 손쉽게 설계할 수 있으며, 외부적으로 필요로 하는 부품 수를 줄이므로 전력 밀도를 높일 수 있다. 그림 1은 이러한 전원 IC의 내부 구조를 보여준다.

[그림 1] GaN IC 디바이스의 구조

전원 변환 용의 GaN IC

EPC는 2019년 이후로 ePower 제품군으로 계속해서 제품을 추가하고 있다. 전원 변환 용으로 모노리딕 IC를 사용하면 디스크리트 솔루션을 사용하는 것에 비해서 여러 가지 장점을 들 수 있다. 무엇보다도 게이트 드라이버와 전력 디바이스를 동일 다이로 통합함으로써 게이트 루프 인덕턴스를 제거할 수 있다. 또한 전력 디바이스들 사이에 경로가 짧으므로 상측 디바이스의 공통 소스 인덕턴스를 크게 줄일 수 있다. 뿐만 아니라 칩 스케일 패키징이기 때문에 전원 루프 인덕턴스를 최소화한다. 외부적 게이트 드라이버를 필요로 하지 않으므로 전반적인 회로 크기를 줄일 수 있다. LGA와 QFN 패키징은 디바이스로 히트싱크를 손쉽게 효율적으로 연결할 수 있으므로 접합부 대 주변 온도 열 저항을 향상시킬 수 있다.

모터 드라이브 애플리케이션 용으로 맨 먼저 출시된 ePower Stage 제품은 EPC2152이다. EPC2152는 모노리딕 IC로서, 2개의 동일한 8.5mΩ 정격 FET과 함께 게이트 구동 버퍼 로직 회로와 레벨 쉬프트 기능을 포함한다. 칩 스케일 패키지에 LGA 핀이고 크기가 작으므로 공간을 절약하고자 하는 애플리케이션에 사용하기에 적합하다.

그 다음으로는 EPC23101과 EPC2302를 채택한 2칩 전원 스테이지 제품을 출시했다. EPC23101은 입력 로직, 하프 브리지 게이트 드라이버, 상측 FET을 포함하는 ePower 칩셋으로서, 65A 연속 전류를 취급할 수 있으며 정격 온 저항이 3.3mΩ이다. EPC2302는 정격 온 저항이 1.8mΩ인 100V FET으로서, 100A 연속 전류를 취급할 수 있다. 이들 디바이스는 처음으로 QFN 패키지를 적용해서 출시된 제품들이다.

최근에는 EPC가 새로운 ePower 스테이지 제품으로서 EPC23102를 출시했다. EPC23102는 이전에 출시된 IC 제품들의 모든 장점을 한 데로 모은 것이다. 모노리딕 전원 스테이지 제품으로서 하프 브리지를 포함하며, EPC2152와 비교해서 더 낮은 온 저항과 더 높은 전류 용량과 더 높은 항복 전압을 특징으로 하며 EPC23101과 EPC2302의 QFN 패키지를 적용했다.

EPC23102는 100V 최대 입력 전압 디바이스로서 1MHz 스위칭 주파수로 35A 연속 전류를 취급할 수 있으며, 정격 온 저항이 6.6mΩ인 전력 FET을 채택했다. 외부적인 5V 전원을 사용해서 내부 회로들로 전원을 공급하고, 입력 로직은 3.3V 및 5V CMOS 기술과 호환 가능하다. 외부 저항을 사용해서 스위칭 전이를 조절할 수 있으므로 디자이너가 상승 및 하강 시간과 과전압 스파이크와 링잉 사이에 최적의 절충을 할 수 있다. 액티브 로우 입력 핀은 필요할 때마다 IC를 정지시킬 수 있다. 내부적 회로들로서 하측 게이트 드라이버 전원 파워-온-리셋, 상측 게이트 드라이버 전원 저전압 록아웃, 레벨 쉬프트 기능을 포함한다. 그 밖에도 개별적인 상측 및 하측 제어 입력, 빠른 스위칭 전이로 인한 부정 트리거 방지 기능을 포함한다. 그림 2는 EPC23102의 블록 다이어그램을 보여준다.

레퍼런스 디자인

이러한 IC 제품을 사용한 모터 드라이브 애플리케이션은 보드 크기를 소형화하고 설계를 간소화할 수 있다. EPC는 모터 드라이브 인버터 용으로 이러한 IC 제품을 기반으로 2개 레퍼런스 디자인 보드를 출시하고 있다. EPC9146은 EPC2152를 채택한 400W 모터 드라이브 보드로서, 10.5ARMS 위상 전류를 제공한다. EPC9173은 6개 EPC23101을 채택한 1.5kW 모터 드라이브 보드이다. 상측 FET과 하측 FET 모두로 이러한 IC를 사용함으로써 전원 접지에 대해서 플로팅 능력을 향상시키고 하프 브리지를 대칭적으로 만들 수 있다. QFN은 열 성능이 뛰어나서 히트싱크를 사용하지 않고는 모터로 20ARMS 전류를 제공할 수 있고 히트싱크를 사용하면 25ARMS 전류를 제공할 수 있으며, 최대 100kHz 스위칭 주파수로 주변 온도에 대해서 다이의 온도 상승을 50℃ 이내로 유지한다.

EPC9176은 3개 EPC23102 IC를 채택해서 새롭게 출시한 400W 모터 드라이브 인버터로서, 14V ~ 85V의 넓은 입력 전압 범위로 동작한다. 히트싱크를 사용하지 않고는 모터로 15ARMS 전류를 제공할 수 있고 히트싱크와 자연 대류 냉각을 사용해서는 20ARMS 전류를 제공할 수 있으며, 최대 100kHz 스위칭 주파수로 주변 온도에 대해서 다이 온도 상승을 60℃ 이내로 유지한다(그림 3).

이 보드는 전류 측정, 위상 전압 검출, DC 버스 전압 검출을 위한 위상 션트 저항, 센서드 제어를 위한 홀/인코더 인터페이스, 과전압 보호 및 저전압 록아웃 같은 보호 회로들을 포함한다. 작은 크기와 높은 스위칭 성능은 배터리로 구동되는 무선 진공 청소기 같은 애플리케이션에 사용하기에 적합하다. 그림 4는 EPC9176의 블록 다이어그램을 보여준다.

모터 드라이브 애플리케이션으로 갈륨 나이트라이드 디바이스는 실리콘 MOSFET 기반 인버터에 비해서 여러 가지 장점을 들 수 있다. 실리콘 MOSFET 기반 인버터는 스위칭 손실 때문에 스위칭 주파수가 통상적으로 40kHz까지로 제한되며 데드 타임이 200ns ~ 500ns 대로서 토크로 6차 고조파를 발생시킨다. 이것은 모터의 평균 토크에는 영향을 미치지 않으나 음향적 소음과 진동을 일으키고 효율을 떨어트린다.

갈륨 나이트라이드 디바이스는 스위칭 성능이 우수하므로 허용 가능한 수준의 전력 소모로 스위칭 주파수를 40kHz 이상으로 높일 수 있다. 스위칭 주파수를 높이면 전류 리플을 낮출 수 있으며 그러므로 모터로 옴 손실을 낮출 수 있다. 뿐만 아니라 입력 필터를 더 작게 만들 수 있고, 직렬 인덕터와 전해 커패시터 대신에 세라믹 커패시터를 사용할 수 있다. 세라믹 커패시터는 크기가 더 작고, 가격대가 더 낮고, 더 신뢰하게 동작한다[2].

또한 갈륨 나이트라이드 FET과 IC는 빠른 스위칭이 가능하므로 데드 타임을 크게 줄일 수 있다. 데드 타임을 줄이면 모터 측에서 더 우수한 성능을 달성할 수 있다. 6차 고조파 진동을 낮추고 모터가 더 매끄럽고 조용하게 작동하기 때문이다.

맺음말

갈륨 나이트라이드 기반 인버터가 모터 드라이브 애플리케이션으로 혁신을 일으키고 있다. 로직 입력 전원 출력 IC를 사용해서 디자인을 어느 때보다 더 손쉽게 설계할 수 있게 되었다. 칩 스케일 패키징은 전력 밀도를 높이고 열 관리를 수월하게 한다. 더 높은 스위칭 주파수로 동작함으로써 모터로 옴 손실을 낮추고 입력 필터 크기를 줄이고 전반적인 시스템 효율을 높인다. 데드 타임을 줄임으로써 모터가 더 매끄럽고 조용하게 작동하도록 한다. 

[참고문헌]

[1] A.Lidow, M. De Rooij, J. Strydom, D. Reusch, J. Glaser, GaN Transistors for Efficient Power Conversion. Third Edition, Wiley. ISBN 978-1-119-59414-7

[2] A. Lidow, GaN Power Devices and Applications. First Edition, Power Conversion Publications. ISBN 978-0-9966492-2-3

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