GaN(질화갈륨) 기술로 DC-DC 전력 밀도 증가 가속화

GaN Technology Accelerates DC-DC Power Density Increases

GaN(질화갈륨) 기술로 DC-DC 전력 밀도 증가 가속화

 

GaN technology has had a significant impact on the power conversion industry since it allows for the integration of many devices on a single substrate.

GaN(질화갈륨)기술은 단일 기판에 많은 장치를 통합할 수 있기 때문에 전력 변환 산업에 상당한 영향을 미쳤다.

 

Gallium Nitride (GaN) is a wide-bandgap, high-performance semiconductor, that is soon going to replace the traditional silicon-based MOSFET technology. This is because GaN devices can achieve both higher switching speeds and higher thermal conductivity, which are the basic requirements for increasing the power density of any electronic device. DC-DC power converters find their applications in almost every electronics-dependent system that has different modules running at various voltage levels. As consumers demand more compact and handy devices that are at the same time more efficient, increasing the power density and thermal performance of a module has become the utmost priority for researchers. That is why GaN-based transistors are gaining popularity for applications like high-power motor drives, fast-charging adaptors, telecom, high-performance computing, and even space applications.

질화 갈륨(GaN)은 전통적인 실리콘 기반의 MOSFET 기술을 곧 대체할 광대역 갭, 고성능 반도체이다. GaN 소자는 어떤 전자 소자의 출력 밀도를 높이기 위한 기본 요건인 더 높은 스위칭 속도와 더 높은 열전도율을 모두 달성할 수 있기 때문이다. DC-DC 전력 변환기는 다양한 전압 레벨에서 작동하는 서로 다른 모듈을 가진 거의 모든 전자 의존 시스템에서 응용 프로그램을 찾는다. 소비자들이 더 작고 더 효율적인 장치를 요구함에 따라 모듈의 전력 밀도와 열 성능을 높이는 것이 연구자들의 최우선 과제가 되었다. 그것이 GaN 기반 트랜지스터가 고출력 모터 드라이브, 급속 충전 어댑터, 통신, 고성능 컴퓨팅, 그리고 심지어 우주 애플리케이션에 인기를 얻고 있는 이유이다.

 

The intrinsic ability of the GaN technology, which enables the integration of multiple devices on the same substrate, has had a great impact on the power conversion market. GaN technology, when compared to silicon IC technology, allows designers to implement monolithic power systems on a single chip more easily and cost-effectively. The graph below shows the on-state resistance vs. breakdown voltage limits of Si-based MOSFETS and the theoretical limit of GaN. The graph also compares the Gen 4 and Gen 5 transistors manufactured by EPC.

동일 기판상에서 여러 디바이스를 통합할 수 있는 GaN 기술의 내재적 능력은 전력 변환 시장에 큰 영향을 미쳤다. GaN 기술은 실리콘 IC 기술과 비교했을 때 설계자들이 단일 칩에 더 쉽고 비용 효율적으로 모노리식 전력 시스템을 구현할 수 있도록 한다. 아래 그래프는 Si 기반 MOSFETS의 온 상태 저항 대 파괴 전압 한계와 GaN의 이론적 한계를 보여준다. 이 그래프는 또한 EPC에 의해 제조된 4세대와 5세대 트랜지스터를 비교한다.

 

Figure 1: Gallium Nitride vs Silicon-based transistors

 

This article is a summary of a talk given at electronica 2022 by Alex Lidow, the CEO and co-founder of Efficient Power Conversion Corporation (EPC). He discusses the various advantages of GaN-based devices and how they can accelerate research on increasing the power density of DC-DC converters.

이 기사는 EPC(Efficient Power Conversion Corporation)의 CEO이자 공동 설립자인 알렉스 리도우가 일렉트로니카 2022에서 한 강연을 요약한 것이다. 그는 GaN 기반 장치의 다양한 장점과 DC-DC 컨버터의 전력 밀도를 높이는 연구를 가속화할 수 있는 방법에 대해 논의한다.

 

Alex starts by comparing standard Si MOSFETS with GaN-based FETs manufactured by EPC in terms of losses, device size, and efficiency at low and high voltage levels. At both voltage levels, GaN-based FETs outperform Si-based MOSFETS with higher switching speeds, no reverse recovery losses, high power density, smaller size, and at the same time better thermal performance. He further compares EPC’s GaN devices with its competitors’ devices and claims they are cheaper and have better hard and soft switching performance. The EPC 2045 is an enhancement mode power transistor used by different manufacturers like Texas Instruments, MPS, and Cynet that has been able to achieve a power density of 1700 W/in3. With their advanced technology, the Gen 5+ EPC device has been able to double the power density to 3300 W/in3 for AI application servers.

Alex는 손실, 소자 크기, 저전압 및 고전압 수준에서의 효율성 측면에서 표준 Si MOSFET와 EPC에서 제조한 GaN 기반 FET를 비교하는 것으로 시작한다. 두 전압 레벨 모두에서 GaN 기반 FET는 더 높은 스위칭 속도, 역회복 손실이 없고 높은 전력 밀도, 더 작은 크기 및 동시에 더 나은 열 성능을 가진 Si 기반 MOSFET보다 성능이 우수하다. 그는 더 나아가 EPC의 GaN 장치를 경쟁사의 장치와 비교하고 그것들이 더 저렴하고 더 나은 하드 및 소프트 스위칭 성능을 가지고 있다고 주장한다. EPC 2045는 텍사스 인스트루먼츠, MPS, 사이넷과 같은 다양한 제조업체에서 사용하는 강화 모드 전력 트랜지스터로, 1,700 W/in 3의 전력 밀도를 달성할 수 있었다. 그들의 발전된 기술로, 5세대+ EPC 장치는 AI 애플리케이션 서버의 전력 밀도를 3300W/in3으로 두 배로 높일 수 있었다.

 

The Gen5+ technology by EPC is said to achieve a power density of 5130 W/in3 with a peak efficiency of 98% and a full load efficiency of 97.5%. This is because of the state-of-the-art thermomechanical design developed by EPC, where the inductor sits on top of the circuitry.

EPC에 의한 Gen5+ 기술은 피크 효율 98%, 만부하 효율 97.5%로 5130 W/in3의 출력 밀도를 달성한다고 한다. 이는 인덕터가 회로 상단에 위치하는 EPC가 개발한 최첨단 열역학 설계 때문이다.

 

Alex also highlights the pace at which the technology has developed, with EPC reaching the power density of 5130W/in3 from 1700W/in3 in just 2 years. The Gen5+ technology is still 300 times less than the theoretical on-resistance vs. the voltage breakdown limit of GaN, which shows that there is still a long way to go. EPC has recently launched Gen6 GaN devices with double the limit as compared to Gen5+ transistors. He further claims that the Gen 6 transistors, when compared to the traditional Si-MOSFET devices, are four times smaller in size, are thermally 64 times more efficient, and have 10 times lower switching losses. When compared to competitors, the Gen 6 by EPC when compared to competitors is said to have four times lower cost and four times better switching performance.

Alex는 또한 EPC가 2년 만에 1700W/in3에서 5130W/in3의 전력 밀도에 도달하는 등 기술이 발전한 속도를 강조한다. Gen5+ 기술은 이론적인 온저항 대 GaN의 전압 파괴 한계에 비해 여전히 300배가 부족하여 아직 갈 길이 멀다는 것을 보여준다. EPC는 최근 Gen5+ 트랜지스터에 비해 한계가 두배인 Gen6 GaN 소자를 출시했다. 그는 또한 6세대 트랜지스터가 전통적인 Si-MOSFET 소자와 비교했을 때 크기가 4배 작고, 열적으로 64배 더 효율적이며, 스위칭 손실이 10배 더 적다고 주장한다. EPC의 6세대는 경쟁사와 비교했을 때 원가는 4배, 스위칭 성능은 4배 이상 우수하다는 평가를 받고 있다.

  

Figure 2: Gen 5+ vs. Gen 6 EPC transistors on a 48V to 12V buck converter operating at 500kHz

 

The above graph illustrates the comparison between Gen 6 and Gen 5+ transistors manufactured by EPC in a real-world application through a buck converter with voltage input of 48 V and output of 12 V operating at 500 kHz frequency. The EPC2619 (Gen6) is the same size as the EPC2204 (Gen 5+) shown in green, but has greater efficiency at the same output current levels. While the EPC2218 (Gen 5+) although having similar efficiency as compared to its Gen 6 counterpart, is twice the size, Alex says that these Gen 6 devices can have twice the power density and twice as low switching losses. When compared at a higher frequency of 1 MHz, the efficiency observed is greater than two times as great, and switching losses decrease even further.

위의 그래프는 EPC가 실제 적용에서 48 V의 전압 입력과 500 kHz 주파수에서 작동하는 12 V의 출력을 갖는 벅 컨버터를 통해 제조한 6세대와 5세대+ 트랜지스터를 비교한 것이다. EPC2619(Gen6)는 녹색으로 표시된 EPC2204(Gen5+)와 동일한 크기이지만 동일한 출력 전류 레벨에서 더 큰 효율을 보인다. EPC2218(Gen 5+)은 6세대와 비슷한 효율을 가지고 있지만 크기는 2배이지만, Alex는 이러한 6세대 장치가 2배의 전력 밀도와 2배의 낮은 스위칭 손실을 가질 수 있다고 말한다. 1 MHz의 높은 주파수에서 비교했을 때, 관찰된 효율은 2배 이상 크고 스위칭 손실은 훨씬 더 감소한다.

 

GaN devices have progressed at a very fast pace, but the theoretical limit of GaN is still 150 times away. With the world progressing at a very fast rate, newer factories and data centers are popping up every day. These industries use electronic systems that consume loads of power generated from non-renewable sources. This puts a lot of strain on the environment. With governments all around the world pushing for sustainable solutions, GaN-based transistors have opened the door for faster, more efficient, and smaller devices that satisfy all the needs of the ever-growing industries.

GaN 소자는 매우 빠른 속도로 발전했지만 GaN의 이론적 한계는 아직 150배나 남았다. 세계가 매우 빠른 속도로 발전함에 따라, 새로운 공장과 데이터 센터가 매일 생겨나고 있다. 이러한 산업들은 재생 불가능한 원천 들로부터 생성된 많은 양의 전력을 소비하는 전자 시스템을 사용한다. 이것은 환경에 많은 부담을 준다. 전 세계 정부가 지속 가능한 해결책을 추진하면서, GaN 기반 트랜지스터는 계속 성장하는 산업의 모든 요구를 충족시키는 더 빠르고, 더 효율적이고, 더 작은 장치를 위한 문을 열었다.