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자료제공/ EPC(Efficient Power Conversion)

채택 근거
EPC2053과 같은 eGaN® FET를 사용하면 고성능 컴퓨팅 및 통신 애플리케이션에 적합한 가장 작고, 비용 효과적이고, 효율이 뛰어난 25A 지원 비절연 48V에서 5~12V 컨버터를 구현할 수 있다. 동기식 벅 컨버터로 구성된 EPC9093 GaN 개발 보드는 메인 전력단의 크기가 10mm x 9mm에 불과하며, 동급 Si에 비해 최소 2배 정도 작은데다 5V ~ 12V의 출력전압 범위를 생성할 수 있다.

EPC2053 eGaN FET 소개
그림 1에 나와 있는 EPC2053은 4mΩ의 온-저항을 갖는 정격 100V의 5세대 eGan FET이며, 32A의 연속 전류를 전달할 수 있고, 최대 150°C의 접합 온도에서 동작이 가능하다. EPC2053은 동급 실리콘 제품에 비해 낮은 기생 커패시턴스 및 온-저항을 가지고 있어 높은 스위칭 주파수에서도 전력손실이 적고, 더 빠른 스위칭 속도를 제공한다. 이러한 특성은 컨버터의 크기를 줄이는 동시에 출력 파워를 증가시킨다.

그림 1: 4 mΩ의 온-저항을 가진 100V eGaN FET, EPC2053

EPC9093 GaN 개발 보드
그림 2에 나타나 있는 블록 다이어그램의 EPC9093 개발 보드는 두 개의 EPC2053 eGaN FET를 장착한 동기식 벅 컨버터로 구성되어 있다. 또한 그림 3에 나와 있는 메인 전력단도 갖추고 있는 EPC9093은 uPI 세미컨덕터(uPI Semiconductor)의 새로운 uP1966A 하프-브리지 게이트 드라이버 IC도 제공하고 있다. 메인 전력단의 크기는 10mm x 9mm에 불과하며, 동급 Si MOSFET 전력단에 비해 최소 2배 정도 더 작다. eGaN FET의 고주파수 성능은 필터링 요건을 크게 줄여주기 때문에 출력 필터 인덕터의 크기 및 손실도 크게 줄일 수 있다.

그림 2: 48V에서 5~12V 및 25A 중간 버스 변환을 평가할 수 있는 EPC9093 개발 보드의 블록 다이어그램

그림 3: EPC2053이 장착된 EPC9093 개발 보드

EPC9093 실험 성능 검증
700kHz 스위칭 주파수에서 48V ~ 12V까지 스텝다운하는 경우 EPC9093은 15A 부하에서 97%의 최대 효율을 달성하며, 25A 부하에서는 96.5% 이상의 효율을 유지한다. 그림 4는 700kHz 동작 주파수에서 5V, 9V, 12V 출력에 대해 최대 25A 출력 전류에 이르는 전력 효율을 보여준다. 그림 5는 400LFM 기류 상태에서 500kHz, 12V 및 20A 출력으로 동작하는 EPC9093의 열 이미지를 보여준다. 이 조건에서 eGaN FET의 상단 및 하단 온도는 각각 103°C 및 87°C이다.

그림 4: 700kHz에서 동작하고, EPC2053 eGaN FET를 사용하는 경우, 48VIN ~ 12VOUT의 EPC9093의 효율 대 출력전류

그림 5: 400 LFM 기류 상태에서 500kHz, 12V 및 20A로 동작하는 EPC9093의 열 이미지

동작 주파수가 1MHz로 증가해도 최고 효율은 여전히 96% 이상을 유지한다. 그림 6은 1MHz 동작 주파수에서 5V, 9V, 12V 출력에 대한 부하 전류의 함수로 효율을 나타낸 것이다.

그림 6: 1MHz에서 동작하고, EPC2053 eGaN FET를 사용하는 경우, 48VIN에서 5, 9, 12VOUT에 대한 EPC9093의 효율 대 출력 전류

결론
48V에서 5~12V 중간 버스 컨버터 설계를 실리콘 MOSFET에서 eGaN FET로 이행하면, 효율 목표를 유지하거나 초과하면서도 전력밀도를 향상시킬 수 있다. 표 1은 와트당 비용이 0.03달러 미만인 eGaN 기반 48V에서 12V, 25V 벅 컨버터의 BoM(Bill of Materials)을 나타낸 것이다. 동일한 BoM을 5V 미만의 낮은 출력 전압에도 적용할 수 있다.

표 1: 50만개 기준 단가를 기반으로 한 eGaN 기반 48V에서 12V, 25V 컨버터의 BoM(Bill of Materials)

EPC9093에 적합한 컨트롤러는 TI(Texas Instruments)의 TPS53632G가 있으며, EPC9093은 EPC9130과 마찬가지로 더 높은 출력 전류 성능을 위해 다중 위상 시스템으로 구성하는 경우, 마이크로칩(Microchip)의 dsPIC33EP128GS704를 사용할 수 있다.

eGaN FET 기반 48V에서 5~12V, 25A 부하 컨버터는 5V, 9V, 12V 출력을 제공하고, 97%의 최고 효율을 달성할 수 있으며, 메인 전력단은 동급 Si 제품에 비해 최소 2배 더 작은 것으로 확인되었다. 또한 12V 출력으로 동작하는 경우 비용은 와트당 0.03달러 미만까지 절감할 수 있다.