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고전력 서버 및 통신 전원 공급장치 사용 사례 위한 설계 가이드라인

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소개

 

최근 능동 와이드 밴드갭(WBG) 전력 소자가 상용 규모로 광범위하게 도입되면서 사용 사례가 급격히 증가하고 있다. 서버와 통신용 전원 공급장치와 같은 고전력 애플리케이션은 수용을 촉진하고 초기 성공을 주도하면서 가장 먼저 안착한 경우에 속한다. 

 

서버 전원 공급장치의 경우 최근 AI 지원 프로세서의 전력 수요가 급격히 늘어남에 따라 서버당 전력 요구사항이 지속적으로 증가하여 현재 2.5kW를 넘어서고 있다. 마더보드에 직접 장착되는 전원 공급장치의 폼팩터는 그대로 유지되므로 전력 밀도가 85W/in³ 이상으로 크게 증가했다. 

 

마찬가지로 5G 인프라의 본격적 구축과 함께 원격 기지국의 전력이 가파르게 증가하는 추세다. 바닥에 비용이 많이 드는 캐비닛 설치를 피하려면 AC-DC 전원 공급장치와 같은 장비를 전신주 위에 안테나에 가깝게 설치해야 한다.

 

이러한 애플리케이션에서 초저 높이 설계(1/2U 높이) 및 수동 냉각은 전원 공급장치의 밀도와 효율에 엄격한 요구사항을 부여한다. 마지막으로, 방대한 규모의 데이터 센터는 전체 소유비용을 최적화하려는 노력을 지속하는 가운데 48V 및 12V 에코 시스템의 효율을 모두 지금까지 도달하지 못한 한계까지 올리고 있다. 

 

이 글에서는 실리콘 소자와 비교해 GaN 및 SiC 기반 전력 반도체 소자가 갖는 가치와 최상의 사용 사례에 대한 가이드라인을 제공하고자 한다. 분석을 통해 디바이스의 물리적 특성에 기반한 관점에서 주요 성능 지표를 도출하고, 기술적 관점에서 추가적인 향상 가능성을 살펴보기로 한다. 

 

또한, 스위치 모드 전원 공급장치(SMPS)의 일반적인 설계 고려사항에 따라 역률 보정 스테이지에서 시작하여 1차측 절연 DC-DC 컨버터, 마지막으로 2차측 동기 정류를 위한 디바이스 선택을 알아본다. 

 

와이드 밴드갭 반도체 소자의 주요 성능 지표

 

정격 600V 차단 성능의 디바이스를 비교하기 위해 다음 4가지 주요 성능 지표, 즉 RDS(on)Qrr, RDS(on)EOSS, RDS(on)Qg 및 RDS(on)QOSS를 사용한다(표 1a 참조). 다음의 성능 지수(FOM)는 SMPS의 스위칭 전이와 직접 관련지을 수 있다. 

 

• RDS(on)EOSS는 하드 스위칭 단일 종단 회로의 스위칭 손실을 나타내는 측정 지표다.
• RDS(on)QOSS는 소프트 스위칭 전이에 필요한 전류량을 나타내는 지표다. 
• Qrr과 QOSS의 합은 하드 정류의 경우 하프 브리지 회로에서 스위칭 손실을 나타낸다. 


GaN HEMT 디바이스(인피니언의 CoolGaN 기술 등)는 블로킹 pn 접합이 없으며 역회복 전하가 영(0)이므로 모터 드라이브 PV 인버터 및 토템폴 PFC 스테이지와 같은 애플리케이션에서 고유한 이점이 있다. 변조 방식에 따라 이러한 애플리케이션의 모든 스위칭 주기에서 부하 전류의 하드 정류가 발생할 수 있다.

 

또한 SiC MOSFET(인피니언의 CoolSiC 기술 등)은 하프 브리지 회로에서 정류 손실과 관련하여 탁월하다. 여기서 전자와 정공의 극히 짧은 양극성 수명은 디바이스의 단자에 전기적으로 관찰되는 Qrr 기여 요인을 감소시킨다. 

 

실리콘 디바이스에서 Pt 확산 또는 이온 조사를 사용하여 양극성 수명을 조정할 수 있지만, 이는 드레인-소스 누설 전류의 증가로 인해 제한된다. 그러나 이러한 제한은 훨씬 더 넓은 최적화 범위를 제공할 수 있는 와이드 밴드갭 디바이스의 경우 해당되지 않는다. 

 

표 1a - 실리콘(Si) 기반 수퍼정션 기술 CoolMOS C7과 SiC MOSFET CoolSiC 및 GaN HEMT 기술 CoolGaN의 주요 성능 지표 비교
 

DEVICE V(BR)DSS RDS(on)Qrr RDS(on)EOSS RDS(on)Qg RDS(on)QOSS
CoolMOS 7 600V 100% 100% 100% 100%
CoolMOS 7 – fast diode 600V 10% 104% 108% 104%
CoolGaN Gen. 1 600V 0% 84% 6% 13%
CoolSiC Gen. 1 600V 2% 133%  41% 21%

 

표 1b - 실리콘 기반 차폐 게이트 기술 OptiMOS 5와 GaN HEMT 기술 CoolGaN의 주요 성능 지표 비교

 

DEVICE V(BR)DSS RDS(on)Qrr RDS(on)Qg RDS(on)QOSS
OptiMOS 5 100V 100% 100% 100%
CoolGaN Gen. 1 100V     0%     18%     41%

 

수퍼정션(SJ) 디바이스의 큰 역회복 전하는 양극성 수명이 짧은 고속 다이오드 버전에서도 바디 다이오드의 연속적인 하드 정류를 허용하지 않지만, 그럼에도 애플리케이션 관점에서 두 가지 솔루션이 존재한다.

 

첫째, 부하 전류가 방향을 반전시키는 이른바 삼각 전류 변조(TCM) 방법이다. 이 경우 부하 전류가 스위칭 노드 커패시턴스를 방전하여 스위치의 ZVS 동작을 켤 뿐 아니라 앞서 바디 다이오드에 전류를 흐르게 한 스위치의 Qrr 전하를 완전히 제거한다. 레귤레이션은 부하 및 입력 전압에 따른 가변 스위칭 주파수와 영전류 크로싱의 정밀한 검출을 필요로 한다. 

 

두 번째 방법은 전류 펄스를 스위칭 노드에 주입하여 일시적으로 부하 전류를 덮어쓰고 앞서 바디 다이오드에 전류를 흐르게 한 디바이스를 가령 20V의 저전압으로 사전 충전하는 것이다. 이 솔루션은 보조 전류 주입 회로를 위해 몇 개의 부품을 추가하여 연속 전도 모드(CCM)로 고정 주파수 동작을 가능하게 한다. 

 

기술적 관점에서 이 개념을 좀 더 자세히 살펴볼 필요가 있다. 그림 1은 1세대 GaN HEMT(그림 1a), 최신 SJ 기술 CoolMOS C7(그림 1b)의 전압 함수로서 QOSS를 나타내고, 전류 주입 방법을 사용한 SJ 디바이스의 손실 감소 가능성(그림 1c)을 그래픽으로 보여준다. 

 


노란색으로 표시된 영역은 턴온 시 QOSS 관련 손실을 나타낸다. 이는 DC 링크 전압 수준에서 선형 모드로 동작하는 동안 앞서 전류를 흐르게 한 디바이스에서 턴온 디바이스로 흐르는 전하에 기인한 것이다. 초록색 영역은 앞서 전류를 차단하던 디바이스의 출력 커패시턴스에 저장된 에너지 양이다. 

 

이 에너지는 채널이 열리면 디바이스 내에 주울(Joule) 손실로 소산되고 전자 전류가 출력 커패시턴스를 방전한다. 하이 사이드 디바이스가 바디 다이오드에 전류를 흐르게 하는 하드 정류에서 노란색 영역은 하이 사이드 디바이스와 관련된 손실을 나타내고, 초록색 영역은 턴온 로우 사이드 디바이스와 관련된 손실을 나타낸다. 두 영역의 합이 전체 손실을 나타낸다. 

 

GaN 기술은 10배 낮은 QOSS 전하와 EOSS 및 QOSS로 인한 매우 균형 잡힌 손실 기여로 하드 정류에 가장 뛰어난 후보이다. 특히 큰 QOSS 기여 요인에 비추어 볼 때 SJ 디바이스는 경쟁이 될 수 없어 보인다. 그러나 이 부분에서 전류 주입 방식이 지금까지 보여왔던 한계를 극복한다. 

 

저전압 소스에서 스위칭 노드를 미리 충전함으로써 Qrr과 QOSS 기여 요인의 많은 부분을 모두 제거한다. 이 전하가 저전압 전원으로 추출됨에 따라 관련된 손실을 하늘색 영역으로 나타낼 수 있다. 따라서 남은 QOSS 기여 요인은 원래 손실의 작은 부분만 생성하고, 이 손실은 그림 1c에서 개별적으로 파란색으로 표시된다. 

 

기술적 관점에서 SJ 디바이스의 출력 커패시턴스의 매우 큰 비선형성은 전류 주입 방법과 결합하여 최적화 경로를 생성함으로써 사전 충전 손실을 지속적으로 감소시키는 동시에 하프 브리지 회로에서 정류 손실을 더욱 낮춘다. 


손실 균형 관점에서 전류 주입을 통해 SJ 디바이스는 단일 종단 애플리케이션과 하프 브리지 기반 회로에서 GaN과 견주게 된다. 더 작은 셀 피치를 구현하면서 SJ 디바이스는 내부 pn 수직 구조의 공핍 전압이 낮아지고(파란색 음영 영역이 더 좁아짐), 공핍 전압과 DC 링크 전압 사이의 남은 QOSS 기여 요인이 줄어들어(파란색 음영 영역이 더 평탄해짐) 성능 이점을 얻는다. 

 

비교하면, GaN HEMT 기술은 능동 영역을 감소시켜 이점을 얻을 수 있는데, 이는 마찬가지로 출력 커패시턴스의 드레인-기판 부분에서 발생하는 QOSS 기여 요인을 향상시킨다. 

 

100V 정격 디바이스 클래스에서 Qrr 및 QOSS 기여 요인은 일반적으로 최신 차폐 게이트 전력 트랜지스터에 대해 동일한 수치 범위에 있다. GaN 기술은 하프 브리지 정류 손실을 실리콘의 1/5 미만으로 낮춰 두 파라미터에서 모두 상당한 이점이 있음을 명확하게 보여준다. 또한, 게이트 전하가 5배 이상 낮으므로 고주파 동작을 위한 완벽한 선결 요건을 갖췄다. 표 1b는 비교를 보여준다. 

 

고전력 애플리케이션을 위한 기술 포지셔닝 선택

 

PFC 스테이지

 

실리콘과 비교할 때 와이드 밴드갭 기술의 매력은 주로 효율과 밀도와 관련된 애플리케이션의 요구사항에 따라 다르다. 98.5% 이하 효율의 역률 보정 스테이지 또는 티타늄 수준 이하 효율의 전원 공급장치의 경우 시장에서 지배적인 솔루션은 다이오드 브리지를 이용한 AC 정류와 부스트 회로를 사용하는 것이다. 

 

이 부문에서는 SJ 기술과 SiC 쇼트키 배리어 다이오드의 조합이 지배적이다. 두 경우 모두 디바이스의 다양한 포트폴리오를 통해 전도 손실을 무제한에 가깝게 세밀하게 조정하여 스위칭 손실을 최적화할 수 있어 CoolMOS가 최고의 선택이다. 

 

하드 턴온 시 전도 SiC 다이오드에서 수퍼정션 디바이스로의 스위칭 전이는 QcVDC에 비례하여 다이오드에서 손실을 발생시킨다. 여기서 Qc는 SiC 다이오드의 용량성 변위 전하이고 턴온 스위치에서 손실은 EOSS에 비례한다. 

 

SJ 디바이스에서 EOSS 기여 요인을 최대한 최적화함으로써 이제 이 파라미터는 GaN과 동등하고, 심지어 SiC 전력 소자보다 더 낮다. CoolMOS C8 제품군에서 보다 향상된 셀 피치를 선보일 예정이므로 EOSS를 더욱 줄일 수 있다. 출력 커패시턴스의 비선형성은 턴오프 시 스위치 양단의 전압이 상승하기 전에 채널 전류를 효과적으로 차단하여 무손실 턴오프를 가능하게 한다. 

 

통신 기지국에서와 같이 티타늄 수준 효율 이상 또는 엄격한 전력 밀도 요구사항을 갖는 전원 공급장치의 경우, (세미) 브리지리스 PFC 솔루션이 지속적으로 더 높은 시장 점유율을 차지한다. 여기서는 고주파수 레그에서 와이드 밴드갭 또는 실리콘 전력 소자를 이용한 CCM 또는 TCM 제어 토템폴 구성과 저주파수 레그에서 매우 낮은 저항의 SJ 디바이스를 볼 수 있다. 

 

와이드 밴드갭 전력 소자가 제공하는 주요 주장은 일반적으로 고정 주파수 사다리꼴 전류 변조 방식을 사용하는 제어의 단순성이다. GaN HEMT와 SiC MOSFET은 모두 최근 출시된 설계에 사용된다. 특히 SiC MOSFET은 RDS(on)의 온도 종속성이 매우 낮아 상대적으로 높은 저항을 사용할 수 있어 더 저렴한 전력 소자를 사용할 수 있다는 이점이 있다. 

 

SJ 디바이스는 가변 주파수로 TCM 제어를 적용하거나 이전 장에서 설명한 전류 주입 방법을 적용함으로써 토템폴 회로에 사용할 수 있다. 모든 솔루션은 PFC 스테이지에서 99% 효율을 넘어선다.

 

DC-DC 스테이지

 

여기에서도 효율과 전력 밀도 요구사항이 설계자가 가장 적합한 디바이스 기술을 선택하는 기준이 된다. 방대한 규모의 데이터 센터를 위한 전원 공급장치와 같은 효율 중심의 애플리케이션의 경우 정밀한 데드 타임 제어와 LLC 컨버터의 신중한 공진 탱크 설계와 결합된 초저 저항 SJ 디바이스가 첫 번째 선택이다.

 

약 100kHz의 공진 스위칭 주파수에서 최신 SJ 디바이스의 불가피한(비교적 긴) 데드 타임은 아직 제한되지 않으며, RMS 전류의 실질적인 증가로 이어지지 않는다.

 

전력 밀도가 70W/in³ 이상에 도달하고 LLC 컨버터의 공진 주파수가 300kHz 이상으로 설계되면, SiC MOSFET와 특히 GaN HEMT가 명확한 가치를 갖는다. 와이드 밴드갭 디바이스를 옹호하는 주요 주장은 낮은 RDS(on) QOSS FOM으로 더 짧은 데드 타임이 가능하다는 것이다. 

 

또한, LLC의 주파수 범위를 효과적으로 제한하는 3레벨 변조와 같은 제어 방식은 특히 경부하 동작에서 하드 정류 전이를 유도한다. 이 경우 매우 낮거나 심지어 영(0)인 역회복 전하가 이점이다.

 

600kHz 이상의 높은 주파수에서는 평면 자기 부품이 기존 권선형 트랜스포머보다 낮은 손실을 생성하므로 선호하는 설계 옵션이 된다. 이 설계 분야에서 GaN 기술은 우수한 동적 성능 지수와 상당히 낮은 게이트 전하로 인해 명백히 선호되는 선택이다. 

 

동기 정류를 위한 디바이스 선택은 주로 스위칭 주파수에 따라 달라진다. (동기) 전도 상태에서 차단 상태로 2차측 스위칭 전이 동안 Qrr 전하가 추가 손실을 생성하지만, 출력 커패시턴스의 충전과 방전은 출력 커패시턴스와 직렬 연결된 일괄 저항이 무시할 수 있는 수준인 한 기본적으로 손실이 없다.


따라서 예를 들어 역회복 전하가 영인 100V 정격 GaN HEMT를 동기 정류 스위치로 사용할 경우 상당한 이점이 있다. 그림 2는 52V 출력에서 3.6kW를 공급하는 LLC 컨버터에서 OptiMOS 5와 CoolGaN을 비교하여 보여준다.

 

설계는 풀 브리지 구성으로 두 개의 2차측 병렬 스테이지를 사용하였으며, 두 디바이스 모두 각 위치에서 병렬 연결되었다. 컨버터는 실리콘 디바이스를 사용하여 270kHz에서 97.9% 피크 효율로 실행하고, GaN HEMT의 경우 340kHz에서 98.5% 피크 효율로 실행한다. 
 

 

요약


서버 또는 통신용 전원 공급장치와 같은 고전력 애플리케이션은 다양한 토폴로지, 변조 방식 및 전력 소자를 사용할 수 있다.

 

효율과 밀도 요구사항에 따라 여러 조합이 시장에서 우선적으로 선택될 수 있다. 티타늄 수준 이하 효율에서는 2차측에 실리콘 기반 동기 정류 디바이스를 사용하고 전통적인 부스트 유형 PFC 및 LLC 스테이지에 모두 SJ 디바이스를 사용하는 all-silicon 설계가 지배적이 될 것이다.

 

약 40W/in³의 중간 전력 밀도 요구사항에서 효율 중심의 애플리케이션의 경우 브리지리스 PFC 구성의 와이드 밴드갭 전력 소자와 함께 all-silicon LLC 컨버터를 사용하는 하이브리드 조합이 시장 점유율을 확보할 것이다. 브리지리스 PFC 회로에서 SJ 디바이스는 삼각 전류 변조와 비교적 간단한 전류 주입 회로를 통해 구현된다.

 

마지막으로 70W/in³ 이상의 고밀도 애플리케이션에서는 all-GaN 설계 또는 PFC 스테이지에 SiC를 사용하고 LLC 스테이지에 GaN을 사용하는 하이브리드 조합이 우세할 것이다. 그림 3은 54V를 공급하는 7kW 전원 공급장치에 대한 파레토 전면 최적화를 보여준다. all-GaN 설계가 전력 밀도와 효율에서 모두 우수하다는 것을 분명히 볼 수 있다.
 


SiC MOSFET, GaN HEMT 및 실리콘 전력 소자를 모두 제공하는 완벽한 기술 포트폴리오 전략을 갖춤으로써 인피니언 테크놀로지스는 가장 적합한 전력 소자의 선택으로 고전력 애플리케이션을 지원할 준비가 되어 있다. 드라이버 및 제어 IC가 포트폴리오를 보완한다. 
 

헬로티 서재창 기자 |



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