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이 글에서는 스위치 모드 전원공급장치(SMPS)에서 GaN(gallium nitride) 스위치를 활용할 때 고려해야 할 사항과 고유 과제들을 살펴보고, 견고하고 신뢰성 있는 설계에 필요한 기능을 제공하도록 특화된 GaN 드라이버 솔루션을 제시한다. 이와 함께 GaN 스위치를 성공적으로 적용할 수 있도록 지원하는 LTspice 툴 체인도 소개한다. 

글/ 프레데릭 도스탈(Frederik Dostal) 전원 관리 전문가, 아나로그디바이스(Analog Devices)

GaN(gallium nitride)는 Ⅲ-Ⅴ족 반도체로서, 스위치 모드 전원공급장치(SMPS)에 탁월한 특성을 제공한다. 높은 절연 강도와 낮은 스위칭 손실, 높은 전력 밀도를 갖춘 GaN 기술은 점점 더 널리 활용되고 있다. 현재 GaN 기술을 기반으로 한 다양한 스위치들이 출시되어 있다. 그러나 이러한 스위치들은 기존 실리콘 MOSFET과는 다른 구동 방식이 필요하기 때문에 활용이 부분적으로 제한된다.

그림 1. SMPS에서의 전원 스위치 구동

그림 1은 스위치 모드 스텝다운 컨버터(벅 토폴로지)에서 흔히 사용되는 하프 브리지 구성의 전력단을 보여준다. 이 구성에 GaN 스위치를 사용할 때는 GaN 스위치가 일반적인 실리콘 소자에 비해 최대 게이트 전압 허용치가 낮다는 점을 반드시 고려해야 한다. 따라서 구동 과정에서 최대 게이트 전압 한계를 엄격히 준수하는 것이 중요하다.

또한, 상측 스위치와 하측 스위치를 연결하는 스위칭 노드의 빠른 스위칭 특성을 살피는 것도 중요하다. 이러한 빠른 스위칭으로 인해 GaN 스위치가 의도치 않게 턴온되는 상황이 발생해서는 안 되는데, 이는 일반적인 실리콘 스위치에서는 드문 고장 모드이다. 이 문제는 상승 엣지와 하강 엣지 각각에 대해 분리된 게이트 제어 라인을 구현함으로써 완화될 수 있다.

더 나아가, GaN 스위치를 사용하는 브리지 토폴로지에서는 데드타임 동안 선로 손실이 증가하는 특성을 보인다. 따라서, 브리지 애플리케이션에서 GaN 스위치를 사용할 때는 성능을 최적화하기 위해 데드타임을 최소화할 필요가 있다.

그림 2. GaN 스위치를 위한 100V 하프 브리지 드라이버 ‘LT8418’

GaN 스위치의 특정 제어 요구 사항을 효과적으로 충족하려면 LT8418과 같은 GaN 전용 드라이버 IC를 사용할 것을 권장한다. 그림 2는 이 드라이버를 스텝다운 스위칭 레귤레이터에 적용한 사례를 보여준다. 

LT8418 GaN 브리지 드라이버는 게이트 충전에 최대 4A, 셧다운 시 게이트 방전에 최대 8A의 드라이버 강도를 제공한다. 충전과 방전에 각각 분리된 제어 라인을 사용함으로써, 상승 시간과 하강 시간을 다르게 설정할 수 있어 견고한 동작을 보장한다.

그림 2의 회로는 입력 전압 48V, 출력 전압 12V, 부하 전류 12A 조건에서 약 97%의 변환 효율을 달성한다. 주목할 점은 이처럼 높은 효율이 1MHz 스위칭 주파수에서 달성된다는 것이다.

GaN 스위치로 전력단을 설계할 때는 보드 레이아웃 최적화에 각별히 신경 써야 한다. 빠른 스위칭 엣지와 기생 인덕턴스가 결합되면 원치 않는 높은 전자기 방사가 일어날 수 있기 때문이다. 이러한 기생 인덕턴스를 최소화하기 위해서는 회로를 콤팩트하게 설계하는 것이 필수적이다. LT8418 브리지 드라이버가 1.7mm × 1.7mm 크기의 WLCSP(wafer-level chip scale package)로 제공되는 이유가 바로 여기에 있다. 

GaN 스위치 제어를 빠르고 효율적으로 경험하기 위해서는 아나로그디바이스(Analog Devices)가 무료로 제공하는 시뮬레이션 환경인 LTspice 사용을 강력히 추천한다. LTspice는 LT8418 GaN 드라이버와 외부 회로를 포함한 포괄적인 시뮬레이션 모델을 제공한다. 그림 3은 LTspice로 평가하기 위한 LT8418의 회로도를 보여준다.

그림 3. LTspice 시뮬레이션 환경에서 GaN 전원 스위치로 SMPS를 평가하는 장면

전력 전자 분야의 틈새 제품이었던 GaN 스위치는 이제 이 분야 주요 기술로 입지를 강화했다. 이 기술은 우수한 효율과 전력 밀도로 인해 전압 변환, 전기 모터 구동, 클래스 D 오디오 앰프 등 다양한 애플리케이션에서 널리 활용되고 있다. LT8418과 같은 최적화된 드라이버 모듈의 출시로, 이 새로운 회로 기술은 더 쉽고 신뢰성 높게 제어가 가능해졌다. 그 결과, GaN 스위치는 전력 전자 기술의 발전에 중요한 가능성을 제공한다.

저자 소개

프레데릭 도스탈(Frederik Dostal)은 전력 관리 분야에서 20년 이상의 경험을 가진 전문가다. 독일 에를랑겐 대학교에서 마이크로전자공학을 전공한 뒤, 2001년 내셔널 세미컨덕터에 입사하여 현장 애플리케이션 엔지니어로 근무하면서 고객 프로젝트에 전력 관리 솔루션을 구현한 경험을 쌓았다. 재직 중에는 미국 애리조나주 피닉스에서 4년 동안 애플리케이션 엔지니어로 스위치 모드 전원공급장치를 담당했다. 2009년 아나로그 디바이스에 합류한 이후 제품 라인과 유럽 기술 지원 부문에서 다양한 직책을 맡았으며, 현재는 폭넓은 설계 및 응용 지식을 바탕으로 전력 관리 전문가로 활동하고 있다. 프레데릭은 독일 뮌헨에 위치한 ADI 사무소에서 근무하고 있다.