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지난 10년 동안 데이터 통신 및 이동통신, 컨수머 전자시스템의 DC-DC 전원 모듈에 대한 공간 및 용적에 대한 제한은 증가하고, 전력 요구는 더욱 높아짐에 따라 초박형의 고효율 솔루션이 필요하게 되었다.

다중 레벨 컨버터는 자기 컴포넌트의 크기를 줄이고, 소형 솔루션에서 높은 효율을 달성할 수 있는 탁월한 대안이다. 특히 소형 및 저손실과 같은 eGaN FET의 장점을 활용하면 성능을 더욱 향상시킬 수 있다. eGaN FET 및 디지털 제어를 사용하는 48V ~ 20V, 250W의 3-레벨 컨버터는 최대 97.8%의 총 시스템 효율을 제공하면서도 전체 두께(PCB 포함)는 5mm에 불과하다.

eGaN FET 기반 3-레벨 컨버터 설계

동기식 부트스트랩 회로가 있는 eGaN FET 기반 3-레벨 벅 컨버터의 간단한 회로는 그림 1에 나와 있다. 이 회로에는 0.5보다 낮은 듀티 사이클로 동작하는 3가지 모드가 있다. 1) 입력전압은 Q1과 Q3을 통 해 플 라잉 커 패시터와 부하 인덕터를 충전한다. 2) 부하 인덕터가 Q2와 Q4를 통해 충전하는 동안 플라잉 커패시터는 방전된다. 3) 인덕터 전류는 Q3과 Q4를 통해 방전된다.(데드타임 동안 하나의 채널과 다른 채널의 등가 바디 다이오드 또는 두 FET 채널을 통해)

그림 1. eGaN FET 기반 3-레벨 컨버터의 간단한 회로

정상 상태의 동작은 1→3→2→3 주기로 이뤄진다. 따라서 출력 인덕터에서 볼 수 있는 유효 주파수는 FET를 위한 스위칭 주파수의 두 배가 되기 때문에 기존 동기식 벅 컨버터에서 요구되는 것보다 더 낮은 인덕턴스 값을 사용할 수 있다.

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이 컨버터의 스위칭 주파수는 400kHz로 최적화되어 있기 때문에 인덕터에서 확인되는 유효 주파수는 800kHz에 이른다. 이는 높이 3.5mm의 2.4μH 인덕터를 사용할 수 있을 만큼 충분히 높은데다, 낮은 스위칭 손실을 유지하고, 전체 효율을 높이고, 우수한 열 성능을 달성할 수 있다. 상단의 FET에는 적절한 게이트 전압(＞4.5V)을 보장하는 캐스캐이드 동기식 부트스트랩 회로가 적용되어 있다.

3개의 제어 루프는 출력 전압 및 출력 전류, 플라잉 커패시터 전압을 각각 조정하는 디지털 컨트롤러를 사용하여 구현된다. 플라잉 커패시터 전압은 FET의 과도한 스트레스를 방지하고 올바른 회로 동작을 위해 항상 입력 전압의 절반으로 유지해야 한다.

Q1은 플라잉 커패시터 전압이 설정되기 전에 48V 입력 전압을 차단한다. Q2 ~ Q4는 입력 전압의 절반만 차단하면 되기 때문에 정격 24V만 있으면 된다. 따라서 3.8mΩ의 RDSon을 가진 100V 정격의 EPC2053과 3.5mΩ의 RDSon을 가진 40V 정격의 EPC2055는 각각 Q1 및 Q2 ~ Q4로 선택된다. 두 eGaN FET 모두 크기가 매우 작으며, 최대 150°C의 접합 온도에서 동작할 수 있다.

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검증실험

그림 2는 3-레벨 벅 컨버터는 설계를 검증하기 위해 구현된 것이다. 회로 보드를 포함한 전체 두께는 5mm에 불과하다. 이 회로는 65°C까지 상승된 온도에서 최대 12.5A 출력 전류를 강제 공기냉각 없이 테스트한 것이다. 8A 출력 전류에서 스위치-노드 전압 VSW 파형은 그림 3에 나와 있다. 여기에서 충전 및 방전 단계에서 커패시터 전압의 균형이 잘 잡힌 것을 확인할 수 있다.

그림 2. 48V ~ 20V의 3-레벨 벅 컨버터 사진

그림 3. 8A 출력 전류에서 스위치 토드 저압 VSW 파형

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그림 4에서 보는 것처럼, 20V 출력 및 800 LFM 강제 공기냉각으로 동작하는 3-레벨 컨버터의 전반적인 전력 효율은 최대 97.8%에 이른다. 이는 4A 이상의 부하 전류에서 97% 이상의 효율을 유지하는 것으로 나타났다. 12V 출력 및 800 LFM 강제 공기냉각으로 동작하는 경우 전반적인 전력 효율은 최대 효율이 97%이다. 이는 모두 5mm 높이 제한 내에서 달성된 것이다.

그림 4. 20V 출력에서 하우스키핑 전력소모를 포함한 총 시스템 효율

GaN-FET 기반 다중 레벨 벅 토폴로지는 초박형의 고효율 DC-DC 컨버터를 설계하는데 사용할 수 있다. eGaN FET를 이용해 구현된 48V ~ 20V, 250W, 3-레벨 벅 컨버터는 97.8%의 최대 효율을 달성했으며, 전체 두께는 5mm에 불과하다. 다중 레벨 토폴로지를 이용하면 낮은 인덕턴스 값의 얇은 인덕터를 사용할 수 있다. eGaN FET는 풋프린트가 매우 작기 때문에 점유공간을 줄여주는 것은 물론, 빠른 스위칭 성능으로 전체 전력 효율을 향상시킨다.