글/ 알렉스 리도우(Alex Lidow) 박사, 로버스 스트리매터(Robert Strittmatter) 박사, 쉥케 장(Shengke Zhang) 박사, EPC(Efficient Power Conversion)
GaN(Gallium nitride) 전력 디바이스는 2010년 3월[1]부터 양산 중에 있으며, 현장에서 놀라운 신뢰성 기록을 수립했다. GaN 전력 디바이스를 활용해 대량생산 중인 자동차 애플리케이션은 자율주행 차량을 위한 라이다(Light Detection and Ranging)이다. 라이다 기술은 차량 주변에 대한 정보를 제공하기 때문에 안전성과 성능을 보장할 수 있는 높은 정확성과 신뢰성이 요구된다. 이 글은 라이다의 특정 적용 사례를 위해 AEC(Automotive Electronics Council)의 품질요건 이상으로 eGaN 디바이스를 테스트할 수 있는 EPC(Efficient Power Conversion)에서 개발한 새로운 테스트 메커니즘에 대해 논의하고자 한다.
라이다를 위한 GaN
eGaN FET 및 IC는 자율주행 차량을 위한 라이다 회로에 널리 적용되고 있으며, 몇 가지 주요 이점을 제공한다:
• 짧은 펄스와 향상된 범위 분해능을 위한 고속 스위칭
• 높은 전력밀도와 낮은 인덕턴스, 소형의 솔루션을 구현할 수 있는 작은 풋프린트
• 높은 펄스 반복률에서 보다 뛰어난 효율성
라이다 애플리케이션에서 GaN 디바이스는 1~5ns의 짧은 고전류 펄스를 전달하여 레이저 다이오드를 구동시키고, 좁은 광 펄스를 생성한다. 피크 전류는 일반적으로 FET 정격 펄스 전류 보다 50% 이상 매우 뛰어나다. 펄스 듀티 사이클은 일반적으로 낮고, 펄스 반복 주파수는 10kHz ~ 100kHz에 이른다. 펄스 동작이 이뤄지지 않으면, GaN 디바이스는 오프 상태가 되고, 특정 드레인 바이어스에 노출된다.
전력 디바이스의 스트레스 조건은 일반적으로 다소 이례적이다. 따라서 HTGB나 HTRB와 같은 기존의 DC 신뢰성 테스트를 이용하여 동작 수명을 예측하기가 어렵다. EPC가 채택한 하드-스위칭 신뢰성 테스트[2]와 같은 GaN에 특화된 테스트라 하더라도, 라이다 회로의 스트레스 조건을 효과적으로 평가하지 못한다.
고전류 펄스에서 장기간의 안정성
물리적인 결함의 관점에서 보면, 펄스가 이뤄지는 동안 동시에 높은 전류와 전압은 핫캐리어(Hot-Carrier) 효과에 대한 우려를 불러 일으키고, 디바이스 내에서 VTH 또는 RDS(on) 시프팅을 야기할 수 있다. 또한 반복적인 누적 고전류 펄스 효과로 인해 EM(Electro-Migration) 스펙터를 유발하고, 솔더 접합부의 열화를 초래하게 된다.
라이다 애플리케이션에서 이러한 문제를 해결하기 위해 EPC는 주요 고객들과 협력하여 새로운 테스트 방법을 개발했다. 이 라이다 신뢰성 테스트는 AEC-Q101 표준에서 MOSFET용으로 개발된 기존의 신뢰성 테스트를 뛰어넘는 GaN의 특정 스트레스 테스트 시리즈 중 하나로, EPC의 AEC를 능가하는 테스트 수행 전략의 일부이다.
이 테스트 방법의 컨셉은 실제 라이다 회로의 부품에 스트레스를 가하여 궁극적으로 미션 프로파일에 상응하는 총 펄스 수를 얻는 것이다. 자동차 라이다를 위한 미션 프로파일은 고객마다 다르다. 일반적인 자동차 프로파일은 100kHz의 펄스 반복 주파수(PRF: Pulse Repetition Frequency)에서 하루 2시간 동작 기준 15년의 수명을 요구한다. 이는 대략 4조의 총 라이다 펄스에 해당하는 것이다. 최악의 시나리오에서는 서비스 수명 기간 동안 10 ~ 12조의 펄스가 필요할 수도 있다.
이 테스트 방법은 전체 미션 프로파일이 끝날 때까지 디바이스의 모집단을 테스트하고, 시스템 성능과 디바이스 특성에 대한 안정성을 검증함으로써 라이다 애플리케이션에서 eGaN 디바이스의 수명을 직접 입증할 수 있다. 이러한 직접적인 접근방식은 가속계수나 활성 에너지와 같은 모호한 유효성 검증이 필요하지 않다. 또한 표준 신뢰성 테스트에서 라이다 고유의 스트레스 조건에 이르기까지 수명 추정치를 반영시킬 필요가 없다.
테스트 방법론 및 결과
부품은 많은 수의 펄스를 얻기 위해 일반적인 라이다 회로에 비해 훨씬 높은 펄스 반복 주파수에서 지속적인 스트레스를 받게 된다. 이 테스트 회로는 EPC의 널리 사용되는 EPC9126 라이다 애플리케이션 보드에 기반하고 있다[3]. 시험 절차의 세부적인 실험내용은 EPC의 11단계 신뢰성 보고서(Phase 11 Reliability Report)의 부록 B에서 제공된다[2].
이 연구에서는 가장 널리 사용되는 두 개의 AEC 등급 부품인 EPC2202(80V) 및 EPC2212(100V)에 대한 테스트가 수행되었다. 각각 4개의 부품을 동시에 테스트했다. 스트레스가 가해지는 동안, 모든 디바이스에 대해 두 가지 주요 파라미터인 (i)피크 펄스 전류와 (ii)펄스 폭을 지속적으로 모니터링했다. 이러한 파라미터는 라이다 시스템의 범위와 해상도에 매우 중요하다.
그림 1은 4.2조 펄스에 대한 테스트 결과를 보여준다. 여기에서 펄스 폭이나 높이가 저하되거나 드리프트되지 않는다는 것을 확인할 수 있다. 누적 펄스 수는 일반적인 자동차 수명에 해당한다. 이는 eGaN 디바이스의 상태를 간접적으로 모니터링하는 반면, 회로 성능에 부정적인 영향을 줄 수 있는 저하 메커니즘이 발생하지 않았다는 것을 알 수 있다.
시간 경과에 따른 eGaN 디바이스의 파라메트릭 안정성에 대한 가시성을 높이기 위해 테스트 시스템은 6시간마다 라이다의 스트레스를 차단하여 디바이스의 RDS(on)과 임계값 VTH을 측정했다. 이러한 간단한 파라메트릭 측정을 수행한 후 부품을 다시 라이다 스트레스 모드로 신속히 전환했다. 그 결과는 그림 2에 나와 있다. 두 파라미터 모두 테스트 기간 동안 뛰어난 안정성을 보여주었다. 이러한 안정성은 eGaN 디바이스가 비교적 라이다 스트레스를 잘 견디고 있음을 나타낸다.
그림 1: 4.2조 라이다 펄스에서 펄스 폭(우측 하단)과 펄스 높이(우측 상단)의 장기간 안정성. 4개의 EPC2202(적색) 디바이스와 4개의 EPC2212(청색) 디바이스에 대한 데이터는 도표에 겹쳐져 있다. 일반적인 자동차 수명에 해당하는 총 펄스 수에 대한 주요 파라미터의 탁월한 안정성을 확인할 수 있다.
그림 2: 라이다 신뢰성 테스트 기간 중 RDS(on) 및 VTH의 장기간 안정성. 이러한 파라미터는 라이다 스트레스를 잠시 중단시키고, 6시간 마다 모든 부품을 측정한 것이다. 일련의 게이트 전압에서 RDS(on)을 측정하여 VTH를 추론할 수 있다. 4개의 EPC2202(적색) 디바이스와 4개의 EPC2212(청색) 디바이스에 대한 데이터는 도표에 겹쳐져 있다. 일반적인 자동차 수명에 해당하는 총 펄스 수에 대한 주요 파라미터의 탁월한 안정성을 확인할 수 있다.
요약
eGaN 디바이스에 대한 짧은 고전류 펄스(라이다) 테스트는 일반적인 자동차 수명기간 동안 라이다 애플리케이션에서 매우 신뢰할 수 있음을 보여준다. 2020년 3월, EPC의 11단계 신뢰성 보고서가 발표된 시점에 어떠한 결함 모드나 파라메트릭 성능 저하는 관찰되지 않았다. 이미 라이다 애플리케이션에서 양산 중인 GaN 전력 디바이스는 자율주행 내비게이션에 필요한 성능과 안전성을 보장할 수 있는 정확성과 견고성을 제공한다.
참고자료
[1] A. Lidow, M. de Rooij, J. Strydom, D. Reusch, J. Glaser, GaN Transistors for Efficient Power Conversion, 3rd Edition, J. Wiley 2020.
[2] Efficient Power Conversion, Corporation, “EPC eGaN® FETs Reliability Testing: Phase 11,” 2020. Available from: https://epc-co.com/epc/Portals/0/epc/documents/product-training/Reliability%20Report%20Phase%2011.pdf
[3] Efficient Power Conversion Corporation, “EPC9126/EPC9126HC Lidar Demo Boards,” EPC9126/EPC9126HC Quick Start Guide. Revision 3.0. Available from: https://epc-co.com/epc/Portals/0/epc/documents/guides/EPC9126xx_qsg.pdf
[4] Efficient Power Conversion Corporation, “EPC2202 – Automotive 80 V (D-S) Enhancement Mode Power Transistor,” EPC2202 data sheet. 2019 [Revised August 2019]. Available from: https://epc-co.com/epc/Portals/0/epc/documents/datasheets/epc2202_datasheet.pdf
[5] Efficient Power Conversion Corporation, “EPC2212 – Automotive 100 V (D-S) Enhancement Mode Power Transistor,” EPC2212 data sheet. 2019 [Revised August 2019]. Available from: https://epc-co.com/epc/Portals/0/epc/documents/datasheets/epc2212_datasheet.pdf
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다양한 출력 신호의 센서를 지원하는 고정밀 데이터 수집 시스템오늘날 데이터 수집 시스템은 단순한 산업용 애플리케이션에 그치는 게 아닌, 핵심 요소로 자리잡았다. 데이터 수집 시스템은 주로 온도, 유량, 충진 레벨, 압력, 그 밖의 물리량을 센서를 이용해 측정하는 데 사용되며, 그렇게 수집한 정보들은 고분해능 디지털 정보로 변환되고 추가적인 소프트웨어 처리 작업을 위해 전달된다. 이러한 시스템은 갈수록 더 높은 정밀도를 필요로 한다. 이에 따라 개발자들은 높은 변환 및 전송 속도에 대한 요구사항과 함께 신호 잡음, 드리프트 등 시스템에 부정적 영향을 미치는 특성을 통합하는데 어려움을 겪는다.
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