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글/ 앤드로브레이어, 제품 매니저 – XP Power

병원, 클리닉, 또는 의사 사무실과 같은 전통적인 장소 외에도 점점 더 많은 의료 서비스와 모니터링이 이뤄지고 있다. 이는 이용 가능한 의료 절차의 증가와 의료 서비스를 필요로 하는 노년층의 증가로 이어진 전 세계 인구의 고령화로 인해 임상 공간에 대한 제한이 완화되고 있다. 

홈 헬스케어는 환자의 스트레스와 불안을 줄여주면서 보다 편안한 치료 경험을 제공한다. 신기술은 또한 가정용 화장품 애플리케이션을 가능하게 하고 있다. 또한 코로나19 유행 기간 동안, 이용 가능한 침대가 부족하고 코로나 환자를 가능한 더 넓은 지역사회에서 격리시켜야 하는 요구로 인해 가정 의료 분야의 성장을 상당히 가속화시켰다. 

이러한 개발은 의료팀의 원격 모니터링을 가능하게 하는 더 컴팩트한 장비와 더 큰 연결성의 출현으로 이미 확장되고 있는 시장 위에서 이루어졌다. 맥킨지앤컴퍼니에 따르면, 미국에서만 현재 현장 의료 시설에서 제공되는 최대 2억6500만 달러의 서비스가 2025년까지 가정 환경으로 전환될 수 있다. 이 중에서 홈 모니터링, 진단 및 치료 장비가 시장 가치의 절반 이상을 차지하여 시장을 크게 성장시키고 있다.

가정용 의료 장비의 전원 공급

최신 가정용 헬스케어 장치에 새로운 기능들이 추가되면서 전원 공급 장치에 의해 더 많은 전력이 공급되어야 한다는 요구가 증가하고 있다. 일부 최신 제품은 이미 외부 공급 장치에서 사용할 수 있는 전력의 상위 단위에 있다.

전원 공급 장치를 외부에 장착하면 몇 가지 이점이 있다. 일차적인 이점은 환자 연결 장치에 안전에 중요한 절연을 전원 공급장치 전문가로부터 사전 승인된 장치를 공급받아 사용하기 때문에 장비 제조업체가 걱정할 필요가 없다는 것이다.

또한 휴대성과 편의성을 유지하기 위해 설계자는 낮은 전력의 이전 모델보다 크지 않은 단위로 높은 전력 수준을 제공해야 하는 과제를 안고 있다. 폐열을 제거하기 위해서는 크기, 무게 및 비용을 추가하는 히트 싱크 등의 장치가 필요하기 때문에 이 과제의 핵심은 전력 밀도와 열 관리이다.

전력 설계자들이 알고 있듯이 폐열을 줄이는 방법은 전력 공급 장치의 작동 효율을 최적화하는 것이다. 그러나 실리콘(Si) 기반 반도체로는 요구되는 효율을 달성하는 것이 불가능할 수 있다.

광역 밴드갭 기술

소형 솔루션에서 더 높은 전력 수준을 제공해야 한다는 요구 사항은 가정 의료에만 국한되지 않는다. 전기 자동차 및 재생 가능 전력 솔루션 설계자들도 유사한 도전에 직면해 있으며 실리콘의 한계를 극복하기 위해 점점 WBG(Wide Band Gap) 기술로 눈을 돌리고 있다.

‘밴드갭'은 원자 밴드의 상단과 전도 밴드 하단의 에너지 차이를 의미한다. 실리콘 카바이드(SiC) 또는 질화 갈륨(GaN)으로 구성된 디바이스에서는 이러한 밴드갭이 상당히 커서 전력 소자가 더 높은 전압, 온도 및 주파수에서 작동할 수 있다.

그림 1. GaN은 현재 사용 중인 모든 재료의 항복 전압에 대해 가장 낮은 온저항을 제공한다.

또한 반도체 디바이스는 드레인-소스 전압(VDS)이 높게 유지되는 동안 전류가 흐르기 시작하면서 스위칭 과정 중에 손실을 보인다. 그러나 GaN 디바이스는 더 빨리 스위칭이 가능하기 때문에 이러한 손실은 Si, 심지어 SiC와 비교했을 때 현저하게 감소한다.

스위칭 중에 단락이 발생하는 '슛스루(shoot through)' 상태를 피하기 위해 하프 브리지의 두 스위치가 모두 꺼진 데드 타임을 생성한다. 이 시간 동안 전류가 계속 흐른다. 실리콘 디바이스는 바디 다이오드를 통해 흐르는데, 이는 바디 다이오드가 없는 GaN에 비해 상대적으로 손실이 크기 때문에 전류가 누설된다.(RDS(ON)). 이를 통해 보다 효율적인 작동이 가능하다.

낮은 스위칭 손실의 결과로, GaN 기반 전원 공급 장치는 일반적으로 60 ~ 100kHz 영역에서 동작하는 실리콘 기반 솔루션의 두 배 이상 높은 주파수, 일반적으로 최소 200kHz에서 동작할 수 있다. 이렇게 증가한 스위칭 주파수는 변압기, 인덕터 및 출력 커패시터의 크기를 크게 줄일 수 있다.

GaN 디바이스가 폐열이 적게 발생하고, 높은 신뢰성을 유지하면서 더 높은 온도에서 작동할 수 있게 됨에 따라 히트싱크, 프레임 또는 팬과 같은 열관리 소자의 필요성이 감소되거나 심지어 없어지게 된다. 이는 크기/중량 감소 및 그에 따른 출력 밀도 증가에 기여한다. 또한 크기가 줄어들면 필요한 재료(금속, 플라스틱, 구리)가 줄어들어 GaN 제품의 지속성이 향상되고 폐기물의 양이 감소한다.

의료용 GaN 기반 전원 솔루션

기존 솔루션과 비교하여, 공간 절약형, 팬이 없는 GaN 솔루션은 필요한 일반적인 공간을 50% 줄여 동급 최고의 전력 밀도인 최대 11W/in3까지 제공한다. 이를 통해 소형성을 보장하여 편리하고 휴대하기 쉬운 홈 헬스케어 솔루션에 기여할 수 있다. 

한 예로, XP파워의 200W, 250W AQM 시리즈는 최대 94%의 효율성을 제공하는 GaN 기술의 혜택을 활용하고 있으며, 300W 외부 의료 전원 공급 장치를 제공한다.

그림 2. XP Power 사의 AQM 시리즈는 컴팩트한 GaN 기반 의료기기용 파워 솔루션이다.

가정 내 헬스케어 시장은 빠르게 성장하는 중요한 분야지만, 완벽한 잠재력을 달성하기 위해서는 소형 풋프린트의 전력 솔루션으로 더 많은 전력을 공급할 수 있어여 한다. 실리콘과 같은 기존의 기술은 한계에 도달하고 있으며, 고성능 솔루션 설계자들은 GaN 같은 WBG 재료를 이용해 시장에서 필요로 하는 강력한 솔루션을 제공하고 있다. 

GaN은 실리콘에 비해 손실이 적고 스위칭이 빠르며, 고온 동작이 가능하여 부품 크기 및 열관리 요구가 감소되어 전력밀도를 크게 높일 수 있다.