CES 2022: 미래를 위한 질화갈륨(GaN) 기술

CES 2022: GaN Technology for the Next Future

CES 2022: 미래를 위한 질화갈륨(GaN) 기술

 

The year 2021 was a transitional year in which the world decided to open its doors to gallium nitride (GaN). In an interview with Power Electronics News during CES week, Alex Lidow, CEO at EPC, said he’s convinced that GaN is now proving its supremacy over silicon. Fast chargers are currently a good consumer market for GaN, but as Lidow pointed out, the explosion of servers with rapid 48-V adoption ensures further adoption of GaN for DC/DC solutions.

2021년은 세계가 질화갈륨(GaN)에 대한 개방을 결정한 과도기적인 해였다. 알렉스 리도우 EPC 최고경영자(CEO)는 CES 주간 파워일렉트로닉스뉴스와의 인터뷰에서 GaN이 이제 실리콘에 대한 우위를 증명하고 있다고 확신한다고 말했다. 급속충전기는 현재 GaN에 좋은 소비자 시장이지만, Lidow가 지적했듯이 48V 채택이 빠른 서버의 폭발적인 증가로 DC/DC 솔루션용 GaN의 추가 채택이 보장된다.

 

“We also see rapid adoption of GaN in e-mobility applications — this is probably the news of the year, and I think it will be the story for scooters and drones that are starting to use GaN for obvious reasons such as smaller size, lighter, and more efficiency, so I think this year is a great opportunity,” said Lidow. “LiDAR has been around for several years; it’s not a new story. But what is new about LiDAR is that it is rapidly spreading horizontally into so many other markets, such as general robots and drones with collision-avoidance systems and even simple hoovers with collision-avoidance systems. Another developing market is for all the small electric motors in cars. I don’t think GaN will be adopted quickly in the traction inverter, but for applications like a fan motor, GaN makes a much quieter motor drive than MOSFETs. Also, there are seat motors, electric steering, and electric air conditioning where GaN has a place.”

"우리는 또한 e-모빌리티 어플리케이션에서 GaN이 빠르게 채택되는 것을 봅니다. 이것은 아마도 올해의 뉴스일 것입니다. 그리고 저는 이것이 더 작은 크기, 더 가볍고 더 효율적이기 때문에 저는 스쿠터와 드론이 GaN을 사용하기 시작하는 이야기가 될 것이라고 생각합니다. 그래서 저는 올해가 좋은 기회라고 생각합니다"라고 Lidow는 말했다. "LiDAR는 몇 년 동안 존재해 왔습니다. 새로운 이야기는 아닙니다. 그러나 LiDAR의 새로운 점은 그것이 충돌 방지 시스템을 갖춘 일반 로봇과 드론, 심지어 충돌 방지 시스템을 갖춘 단순한 발굽과 같은 많은 다른 시장으로 수평적으로 빠르게 확산되고 있다는 것이다. 또 다른 개발 시장은 자동차의 모든 소형 전기 모터를 위한 것이다. 트랙션 인버터에는 GaN이 빨리 채택되진 않을 것 같지만 팬 모터 같은 경우에는 GaN이 모스펫보다 훨씬 더 조용한 모터 구동력을 만듭니다. 또한 GaN이 자리를 잡고 있는 곳에는 시트 모터, 전동 스티어링, 전동 에어컨이 있습니다."

 

GaN technology

 

Three megatrends are driving the evolution of power electronics: energy efficiency, electrification, and the digital economy (data everywhere). These changes need a shift in how power engineers construct their systems. As a result, there are prospects for growth all over the place. Data centers, 5G, industrial motors, micromobility, renewable energy, and electric cars are some of the less obvious high-growth fields.

에너지 효율, 전기화, 디지털 경제(모든 곳에 있는 데이터)의 세 가지 메가트렌드가 전력 전자 제품의 진화를 주도하고 있다. 이러한 변화는 전력 공학자들이 그들의 시스템을 구축하는 방법에 변화가 필요하다. 이에 따라 곳곳에서 성장 전망이 나오고 있다. 데이터 센터, 5G, 산업용 모터, 마이크로 모빌리티, 재생 에너지, 그리고 전기 자동차는 덜 분명한 고성장 분야들이다.

 

In fast chargers and other consumer applications, GaN will continue to replace old silicon, and it will eventually take over in data centers and home solar energy and storage applications. On-board chargers and DC/DC converters in electric cars will increasingly use GaN technology. Stephen Oliver, vice president of corporate marketing and investor relations at Navitas Semiconductor, said in an interview with Power Electronics News during the opening of CES that he is convinced that GaN will eat into the market share of earlier SiC technology as GaN power levels climb and EV architects shift from “motor + axles” to “in-wheel” drive.

급속 충전기와 다른 소비자 응용 분야에서 GaN은 오래된 실리콘을 계속해서 대체할 것이며, 결국 데이터 센터와 가정용 태양 에너지 및 저장 응용 분야에서 그 자리를 차지할 것이다. 전기차의 온보드 충전기와 DC/DC 컨버터는 GaN 기술을 점점 더 많이 사용하게 될 것이다. Navitas Semiconductor의 기업 마케팅 및 투자 홍보 담당 부사장인 Stephen Oliver는 CES 개막 당시 인터뷰에서 GaN의 전력 수준이 상승하고 EV 설계자가 "모터 + 차축"에서 "인휠"로 전환함에 따라 GaN이 이전 SiC 기술의 시장 점유율을 잠식할 것으로 확신한다고 말했다. 

 

At CES, Navitas will showcase its GaNFast power ICs, integrating GaN power and drive plus protection and control to deliver simple, small, fast, and efficient performance. According to Oliver, the company will also reveal how GaNFast technology has been supercharged with power-upgraded, thermally enhanced versions of the proven 650-/800-V GaNFast platform, now further upgraded to 700/800 V, to address the challenges of next-generation solar, data center, and EV fast-charging applications. In addition to the technologies and solutions on display, Navitas is also launching a competition to win a Tesla Model 3 Performance, worth over $60,000.

CES에서 Navitas는 GaN 전원과 드라이브, 보호 및 제어 기능을 통합하여 단순하고, 작고, 빠르고, 효율적인 성능을 제공하는 GaN파스트 전원 IC를 선보일 예정입니다. 또한 Oliver에 따르면 차세대 태양광, 데이터 센터 및 EV 고속 충전 애플리케이션의 과제를 해결하기 위해 입증된 650/800-V GaNfast 플랫폼의 향상된 열 업그레이드 버전으로 GaNfast 기술이 어떻게 과충전되었는지도 밝힐 예정입니다. 나비타스는 전시된 기술과 솔루션 외에도 6만 달러가 넘는 테슬라 모델3 퍼포먼스를 수상하기 위한 경쟁을 벌이고 있다.

 

“As well as advancing GaN technology through higher powers and higher levels of integration and functionality, there are initiatives to support design as well as collaborations with strategic customers and partners,” said Oliver. “Recent announcements include a partnership with Anker for fast chargers; testimonials from Enphase [solar], Brusa [EVs], and Compuware [data centers]; and new application-focused design centers. Last month, we announced the opening of a new design center in Hangzhou, China, dedicated to bringing next-generation GaN power ICs and associated high-efficiency, high-power–density systems to enable data centers around the world to upgrade from silicon to GaN. This month, we opened the new Navitas EV Design Center in Shanghai, China. Each design center hosts a highly experienced team of world-class power system designers with comprehensive capabilities across electrical, thermal, and mechanical design; software development; and complete simulation and prototyping capabilities. Data center and EV customers will be supported worldwide by the new teams, from concept to prototype through to full qualification and mass production.”

Oliver는 "높은 파워와 높은 수준의 통합 및 기능을 통해 GaN 기술을 발전시킬 뿐만 아니라 디자인을 지원하는 이니셔티브와 전략적 고객 및 파트너와의 협업이 있다"고 말했다. "최근 발표에는 급속 충전기를 위한 Anker와의 파트너십, Enphase [solar], Brusa [EVs] 및 Compuware [데이터 센터]의 추천 및 새로운 애플리케이션 중심 디자인 센터가 포함된다. 지난 달, NAT은 차세대 GaN 전원 IC와 관련 고효율, 고전력-밀도 시스템을 도입하여 전 세계 데이터 센터를 실리콘에서 GaN으로 업그레이드할 수 있도록 지원하는 새로운 디자인 센터를 중국 항저우에 오픈한다고 발표했다. 이번 달, 우리는 중국 상하이에 새로운 나비타스 EV 디자인 센터를 열었다. 각 설계 센터에는 전기, 열 및 기계 설계, 소프트웨어 개발, 완벽한 시뮬레이션 및 프로토타이핑 기능을 갖춘 세계 최고 수준의 전력 시스템 설계자로 구성된 숙련된 팀이 상주하고 있다. "데이터 센터 및 EV 고객은 컨셉부터 시제품, 완전한 자격 검증 및 양산까지 새로운 팀의 지원을 받게 될 것입니다."

 

At CES, GaN Systems is showing some of the industry’s GaN-based solutions in consumer electronics, including GaN chargers and GaN audio and in automotive. “GaN Systems is displaying the world’s smallest 65-W charger powering a laptop,” said Paul Wiener, vice president of strategic marketing at GaN Systems, in an interview with Power Electronics News. “We’re excited to show GaN chargers from well-known brands Dell, Philips, Harman, and several others.

GaN Systems는 CES에서 GaN 충전기와 GaN 오디오, 자동차 등 가전 분야에서 업계 GaN 기반 솔루션을 선보이고 있다. "GaN Systems는 노트북에 전원을 공급하는 세계에서 가장 작은 65W 충전기를 전시하고 있습니다,"라고 GaN Systems의 전략 마케팅 부사장인 Paul Wiener는 Power Electronics News와의 인터뷰에서 말했다. "Dell, Philips, Harman 등 유명 브랜드의 GaN 충전기를 선보이게 되어 매우 기쁩니다.

 

“In audio, we’re showing our Gen2 amplifier reference design, the Syng Alpha Cell speaker, named one of Time’s 100 Best Inventions of 2021; Orchard Audio’s all-in-one Starkrimson Streamer Ultra; and a revolutionary Class-D audio amplifier with controller chip from Axign,” he added. “In automotive, we’re showing GaN implementations in a DC/DC converter, on-board charger, traction inverter, and complementary automotive power modules.”

그는 "2021년 타임지의 100대 발명품 중 하나로 선정된 Seung Alpha Cell 스피커, 오차드 오디오 올인원 스타크림슨 스트리머 울트라, Axign의 컨트롤러 칩이 장착된 혁신적인 Class-D 오디오 앰프를 오디오로 보여주고 있다"고 덧붙였다. 그는 "자동차 분야에서는 DC/DC 컨버터, 온보드 충전기, 트랙션 인버터, 보완적인 자동차 동력 모듈 등에서 GaN 구현을 보여주고 있다"고 말했다.

 

Applications

 

According to Navitas, in addition to ultra-fast chargers for laptops and mobile devices, there are significant opportunities for next-generation GaN semiconductors to “Electrify Our World” by saving energy in data centers, delivering high-efficiency solar inverters and accelerating EV adoption.

나비타스에 따르면 노트북과 모바일용 초고속 충전기 외에도 차세대 GaN 반도체가 데이터센터 에너지 절약, 고효율 태양광 인버터 납품, EV 채택 가속화 등을 통해 '우리 세상 전기화'에 상당한 기회가 마련됐다.

 

Fast chargers are an excellent illustration of GaN’s effective adoption, which has resulted in tremendous market penetration. According to Navitas, GaN ICs provide the extremely portable, high-power–density, low-weight, and high-performance solutions expected by current portable electronics. “There are many reasons why GaN is here to stay and will become more prevalent across a growing number of sectors,” said Oliver. “GaN runs up to 20× faster, enables up to 3× more power, and delivers 3× faster charging while halving application size and weight. This not only has benefits in terms of performance, form factor, and weight, but it means that GaN can make a significant contribution to sustainability and the reduction of carbon emissions.

급속충전기는 GaN의 효과적인 채택을 잘 보여주는 사례로, 엄청난 시장 침투 효과를 가져왔다. 나비타스에 따르면, GaN IC는 현재의 휴대용 전자 제품에서 기대하는 매우 휴대성이 높고, 고밀도, 저중량, 고성능 솔루션을 제공한다. 올리버는 "GaN이 이곳에 머무르고 점점 더 많은 부문에 걸쳐 더 널리 퍼질 수 있는 이유는 여러 가지가 있다"고 말했다. "GaN은 애플리케이션 크기와 무게를 절반으로 줄이면서 최대 20배 더 빠르고, 최대 3배 더 많은 전력을 제공하며, 3배 더 빠른 충전을 제공합니다. 이는 성능, 폼팩터, 중량 측면에서 이점이 있을 뿐만 아니라 GaN이 지속가능성과 탄소배출량 감소에 크게 기여할 수 있다는 것을 의미한다.

 

“In data centers, for example, we estimate that GaN ICs can reduce electricity use by up to 10%, an improvement that, if applied across all data centers, could save >15 TWh or $1.9 billion in annual electricity costs,” he added. “When it comes to renewables, GaN semiconductors increase the efficiency of photovoltaic inverters and energy storage systems to reduce the cost per watt of solar power, which, in turn, will accelerate adoption. While deploying GaN in electric vehicles, GaN allows EV manufacturers to address the key issues of charging time, energy savings, price, and range. We believe our technologies will accelerate EV adoption by up to three years to deliver an additional 20% reduction in road-sector CO2 emissions.”

그는 "예를 들어 데이터 센터에서는 GaN IC가 전력 사용을 최대 10%까지 줄일 수 있을 것으로 추정하는데, 이는 모든 데이터 센터에 적용될 경우 >15TWh 또는 연간 19억 달러의 전기 비용을 절감할 수 있는 개선 효과"라고 덧붙였다. "재생에너지에 관한 한, GaN 반도체는 태양광 발전용 인버터와 에너지 저장 시스템의 효율성을 높여 태양광 발전의 와트당 비용을 절감함으로써 채택을 가속화할 것이다. 전기차에 GaN을 배치하면서 전기차 제조사가 충전시간, 에너지 절약, 가격, 범위 등 핵심 이슈를 해결할 수 있도록 했다. 우리의 기술이 EV 도입을 최대 3년까지 가속화하여 도로 부문 CO2 배출량을 20%까지 추가로 줄일 수 있을 것으로 믿습니다." 

Solar Energy (Source: EPC)

According to Wiener, the principles of semiconductor economics are playing out: “Higher volumes drive increased process knowledge and higher performance and drive down cost. We’re seeing some of it today, allowing GaN to displace other transistor technologies in both lower- and higher-power applications where silicon MOSFETs, IGBTs, and SiC have a position today.”

위너에 따르면 반도체 경제학의 원리는 다음과 같이 작용하고 있다. "더 많은 양이 공정 지식을 높이고 성능을 높이며 비용을 절감한다. GaN이 실리콘 MOSFET, IGBT 및 SiC가 현재 자리를 잡고 있는 저전력 및 고전력 애플리케이션 모두에서 다른 트랜지스터 기술을 대체할 수 있도록 하는 것이 오늘날 일부 목격되고 있습니다."

 

For GaN systems, the most noticeable has to be GaN chargers. “They’ve been covered extensively in many consumer electronics publications, but most importantly, you’re seeing the big companies from Apple to Dell debut GaN chargers,” said Wiener. “The strongest argument is that GaN is the best technology to meet the power electronics industry’s efficiency, size, and cost needs. GaN performance is 13× better than silicon and 6× better than silicon carbide [SiC].”

GaN 시스템의 경우 가장 눈에 띄는 것은 GaN 충전기이다. Wiener는 "이는 많은 소비자 전자 제품 간행물에서 광범위하게 다루어 졌지만 가장 중요한 것은 Apple에서 Dell에 이르기까지 대기업이 GaN 충전기를 출시하는 것을 보고 있다는 것이다."라고 말했다. “가장 강력한 주장은 GaN이 전력 전자 산업의 효율성, 크기 및 비용 요구 사항을 충족하는 최고의 기술이라는 것이다. GaN 성능은 실리콘보다 13배, 탄화규소[SiC]보다 6배 더 우수하다.” 

GaNFast (Source: Navitas)

In addition to fast chargers, Lidow sees e-mobility (EVs) as a growing market, as mentioned earlier, and in focusing on the green issue, he pointed out that the biggest question is not whether EVs are 100% green but how green our electricity grid will be. “In terms of energy efficiency, there’s a 4:1 ratio of energy efficiency to move something with an electric motor compared with an internal combustion engine, and if the electricity grid is coal-fired, it will have a possible negative impact,” he said. “I think that’s where we need to turn our attention. The electric car is coming; we need to clean up the grid by investing in renewables. For solar, it’s crucial to find the right peak operating point, and GaN finds its right place with DC/DC power-point trackers but also in inverters where the situation sees GaN and SiC. There are large installations with central inverters and those are still SiC-based, and then there are small inverters that are finding their way into solar applications.”

리도우는 급속충전기 외에도 앞서 언급했듯이 e-모빌리티(EV)를 성장하는 시장으로 보고 있는데, 녹색 이슈에 초점을 맞추면서 EV가 100% 녹색이냐가 아니라 우리 전력망이 얼마나 녹색이냐가 가장 큰 문제라고 지적했다. 그는 "에너지 효율 측면에서는 내연기관 대비 전기모터로 무언가를 움직이기 위한 에너지 효율 비율이 4:1인데, 전력망이 석탄으로 연소될 경우 부정적 영향이 있을 수 있다"고 말했다. "그것이 우리가 관심을 돌려야 할 부분이라고 생각합니다. 전기자동차가 온다. 우리는 재생에너지에 투자하여 전력망을 정화해야 한다. 태양광은 올바른 피크 동작 지점을 찾는 것이 중요하며, GaN은 DC/DC 파워포인트 추적기뿐만 아니라 GaN과 SiC가 보이는 인버터에서도 올바른 위치를 찾는다. 중앙 인버터가 있는 대형 설비가 있고, 여전히 SiC에 기반을 두고 있으며, 소형 인버터가 태양광 분야에 적용되고 있습니다."

 

The next generation of power devices must incorporate technologies that meet performance, efficiency, and value requirements, and GaN has emerged as a vital component. However, when evaluating GaN solutions, the question emerges as to what the best solution is for RF applications: GaN-on-Si, GaN-on-SiC, or GaN-on-GaN.

차세대 전력소자에는 성능과 효율성, 가치 요구사항을 충족하는 기술이 접목돼야 하며, GaN이 핵심 구성요소로 떠올랐다. 그러나 GaN 솔루션을 평가할 때 RF 애플리케이션에 가장 적합한 솔루션이 무엇인지에 대한 질문이 대두됩니다(GaN-on-Si, GaN-On-SiC 또는 GaN-on-GaN).

 

According to Lidow, the default substrate for GaN is silicon or SiC. For the latter, there are many applications in the RF field. “I don’t see GaN-on-GaN succeeding for several reasons,” he said. “Silicon carbide is much more thermally conductive than GaN. The second thing is that the electron mobility in GaN is much higher than silicon carbide, but only in a lateral device. And this is because of the two-dimensional electron gas. So if you switch to a vertical device, you lose that advantage. And it’s more or less the same that gallium nitride crystals are in a much more primitive state of development.

Lidow에 따르면 GaN의 기본 기판은 실리콘 또는 SiC이다. 후자의 경우, RF 분야에 많은 응용 프로그램이 있다. 그는 "나는 GaN-on-GaN이 몇 가지 이유로 성공할 것으로 보지 않는다"고 말했다. 탄화실리콘은 GaN보다 열전도성이 훨씬 높다. 두 번째는 GaN의 전자 이동성이 실리콘 탄화물보다 훨씬 높지만, 측면 장치에서만 가능하다. 그리고 이것은 2차원의 전자 가스 때문이다. 따라서 수직 기기로 전환하면 그 이점을 잃게 된다. 그리고 질화갈륨 결정이 훨씬 더 원시적인 개발 상태에 있다는 것은 거의 동일하다.

 

“Moreover, GaN-on-Si is produced just like silicon, so there is no need to invest so much,” he concluded. “You have a lot of investment when you want to have GaN-on-GaN because it is a very different production process. So why this huge capital investment when it doesn’t have a comparative advantage over silicon carbide?”

그는 "게다가 GaN-on-Si는 실리콘과 똑같이 생산되기 때문에 그렇게 많은 투자를 할 필요가 없다"고 결론지었다. 그는 "GaN-on-GaN을 갖고 싶을 때 투자액이 많다"고 말했다. 그런데 실리콘 카바이드보다 비교우위가 없는데 왜 이렇게 막대한 자본투자를 하느냐"고 반문했다.