GaN, 전력 손실과 열 발생을 줄일 수 있어
더 높은 주파수에서 더 높은 효율로 전력 처리 가능

벽돌 크기의 휴대전화부터 크고 둔중한 텔레비전 수상기에 이르기까지 전자기기의 전원 공급 장치는 거추장스럽게 큰 공간을 차지했던 역사를 가지고 있다. 이와 함께 더 높은 전력 밀도에 대한 요구는 끊임 없이 커져왔다.

실리콘 전원 공급 장치의 혁신은 이러한 구형 모델을 보다 취급이 용이하도록 크기를 줄여주었지만, 이러한 개선이 한계에 다다르고 있다. 실리콘은 크기를 증가시키지 않으면 더 많은 전력을 제공하기 위해 필요한 주파수를 실행할 수 없다. 이는 5G 무선 네트워크 출시에 매우 중요하다. 5G 무선은 미래의 로봇에서부터 재생 에너지와 데이터 센터에 이르는 다양한 기술을 가능하게 하기 때문이다.
 
TI의 제품 매니저인 마수드 베헤스티(Masoud Beheshti)는 “엔지니어들은 한계에 직면하고 있다. 현재 주어진 공간에 더 많은 전력을 넣는 것은 불가능하고, 그렇다고 장비 크기를 늘리는 것도 원치 않는다. 폼팩터를 바꿀 수 없다면, 쓸 수 있는 방법은 바로 전력 밀도를 높이는 것 하나뿐이다.”라고 말했다.

전성기 맞은 GaN

60년 넘게 실리콘은 교류(AC)를 직류(DC)로 변환하고 DC 전압을 다시 휴대전화부터 산업용 로봇에 이르는 각종 기기에 필요로 하는 전압으로 바꾸는 모든 전기 부품의 토대를 이루어왔다. 이를 위해서 필요한 부품들은 계속해서 개선되고 최적화되었지만, 실리콘의 물리적 특성 자체가 한계에 다다르고 있다.

이 문제를 해결할 수 있는 것이 GaN (갈륨 나이트라이드) 기반의 새로운 전원 공급 장치 및 변환 시스템이다. GaN은 전력 손실과 열 발생을 줄일 수 있다. 특히 고온은 운영 비용을 증가시키고 네트워킹 신호를 방해하며, 조기에 장비 결함을 불러올 수 있다.
 
GaN은 더 높은 주파수에서 더 높은 효율로 전력을 처리할 수 있다. 실리콘 부품과 비교해서 동일한 전력을 제공하면서 절반의 공간으로 손실을 절반으로 줄일 수 있다. 그러므로 설계에서 공간을 늘리지 않으면서 더 많은 전력을 필요로 하는 고객들에게 중요한 전력 밀도를 높일 수 있다.

더 높은 주파수로 스위칭할 수 있다는 것은 GaN이 단일 스텝으로 더 넓은 범위의 전력을 변환할 수 있어서 복잡한 디바이스에서 필요로 하는 추가 전원 컨버터를 줄일 수 있음을 의미한다. 각각의 전원 변환 단계에서 더 많은 전력이 낭비되므로, 이러한 부분은 갈수록 증가하는 고전압 애플리케이션의 중요한 이점이 된다.

60년 된 기술이 하루 아침에 사라지진 않지만, 다년간의 연구와 시험과 신뢰도 테스트를 거친 GaN은 전력 밀도의 미래를 이끌어갈 준비가 되어있다. TI는 GaN 디바이스에 대해서 실리콘보다 더 높은 온도와 전압에서 2천만 시간의 가속화 신뢰성 테스트를 하고 있다. 이 시간은 장거리 비행의 세계 신기록을 보유하고 있는 글로벌플라이어(GlobalFlyer) 제트기가 지구를 259,740바퀴 돌 수 있는 시간이다.

마수드는 “TI는 GaN 프로세스, 기술 및 디바이스에 대해서 철저한 검증을 거치고 양산에 착수할 준비를 마쳤다.”라고 말했다.

TI는 이러한 GaN 검증 프로토콜을 국제반도체표준협의기구(JEDEC)와 공유하고 있으며, GaN 검증 위원회의 주축을 이루고 있다.

GaN의 앞으로 전망

GaN은 이미 향상된 전력 밀도가 중요한 특징인 산업에서 실리콘을 대체하고 있다. TI의 제품 마케팅 엔지니어인 아리아나 라자비 (Arianna Rajabi)는 “TI는 이제 GaN 패키징과 테스트까지 완벽하게 거침으로써, 전력 밀도를 무엇보다도 중요시하는 고객들에게 신뢰할 수 있는 새로운 전원 컨버터 솔루션을 제공하게 되었다.”고 말했다.

대량생산 시 GaN 전원 공급 장치가 주류가 되었을 때 혜택을 보는 분야들은 다음과 같다.

제조: 오늘날 일반적인 로봇 팔에는 실제 작동을 위해 필요한 모든 전자 장치들을 모두 포함하지 않는다. 전원 변환 및 모터 구동 장치는 너무 크고 비효율적이어서 대개 별도의 캐비닛에 배치되어 원거리에서 케이블을 통해 로봇 팔로 연결된다. 이는 산업용 로봇으로 입방 미터당 생산성을 감소시킨다. GaN은 드라이브 및 전원 변환 기능을 실제 로봇 내부에 보다 수월하게 통합할 수 있도록 돕는다. 이는 설계를 간소화하고 비효율적인 케이블을 줄여주고 운영 비용을 낮춰준다.

데이터 센터: 디지털 서비스에 대한 수요가 멈출 줄 모르고 증가함에 따라서, 데이터 센터 업계는 48V DC 전원에서 직접 동작하는 것을 검토하고 있다. 기존의 실리콘 전원 변환은 48V에서 대부분 컴퓨팅 하드웨어에 필요로 하는 더 낮은 전압으로 단일 스텝으로 효율적으로 변환하지 못한다. 그러므로 중간 단계들을 거쳐야 하므로 데이터 센터 전력 효율을 떨어트린다. GaN은 48V에서 서버나 칩으로 공급하기 위해서 POL(point-of-load)로 곧바로 스텝 다운할 수 있으므로 전원 분배 손실을 크게 줄일 수 있으며 변환 손실을 30%까지 낮출 수 있다.

무선 서비스: 5G 셀룰러 네트워크의 본격적인 출범을 위해서는 네트워크 사업자들이 더 높은 전력으로 구동되는 고주파 장비들을 구축해야 한다. 네트워크 사업자들은 셀 타워 장비의 크기를 늘리는 것을 원치 않기 때문에 GaN의 전력 밀도는 큰 이점을 가진다.

재생 에너지: 재생 에너지 생성과 저장을 위해서도 역시 전원 변환이 필요기 때문에 GaN의 효율적 이점은 중요하다. 재생 에너지는 풍력 터빈이 돌아가지 않거나 태양광 패널로 해가 비치지 않을 때를 대비해서 에너지를 저장하는 스마트 그리드를 사용하는데, 이럴 때 대용량 배터리로 전력을 집어넣거나 꺼내는 것을 더 효율적으로 할 수 있으면 그만큼 더 유리하다. TI와 협력사들은 GaN으로 재생 에너지로 생성된 10킬로와트를 99% 효율로 변환하는 것을 시연하여 전력 회사들에게 하나의 새로운 기준을 제시하였다.

시간이 지남에 따라, GaN은 소비자 가전 제품과 같은 다양한 애플리케이션들로 확대될 것이다. 더 얇은 평판 디스플레이가 가능해지고 충전식 디바이스에서 낭비되는 전력을 줄일 수 있을 것이다.

마수드는 “효율을 3% 혹은 4% 향상시키는 것은 다른 방법으로도 얼마든지 할 수 있지만 전력 밀도를 두 배로 높이고자 한다면 GaN이 유일한 해답이다.”라고 말했다.