GaN: 전력 밀도와 효율성의 한계를 넘어섭니다

전력 소모량은 더 적고 풋프린트도 더 작으면서 더 빠르고 냉각 효율이 더 높은 시스템을 설계하세요

GaN(질화 갈륨)이란?

GaN(질화 갈륨)은 기존 실리콘 금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET) 및 절연 게이트 양극 트랜지스터(IGBT)보다 높은 전력 밀도와 효율성을 지원하는 넓은 밴드갭 반도체입니다. GaN은 실리콘 전용 솔루션보다 전력을 더 효율적으로 처리하여 전력 컨버터의 전력 손실을 80% 줄이고 추가 냉각 부품의 필요성을 최소화합니다. 더 작은 공간에 더 많은 전력을 압축하여 더 작고, 더 가벼운 시스템을 설계할 수 있습니다.

GaN vs. SiC

GaN과 SiC(실리콘 카바이드)가 공급하는 전력 수준에는 일부 겹치는 부분이 있지만, GaN은 서버 및 통신, 전기차(EV)의; <22kW 온보드 충전기(OBC); <100W 가전제품 전원 어댑터의 경우처럼 높은 전력 밀도가 결정적 요소인 애플리케이션에 더 적합한 기본 특성을 가지고 있습니다.

이러한 애플리케이션에서 GaN 디바이스는 PFC(역률 보정) 토폴로지에서 스위칭 주파수 >150kHz, DC/DC 전원 컨버터에서 스위칭 주파수 >1MHz를 달성할 수 있어 시스템의 자기 크기가 대폭 줄어듭니다. SiC보다 높은 스위칭 속도를 구현하는 GaN 기술을 이용하면 더 낮은 비용으로 더 높은 전력 밀도를 달성할 수 있습니다.

GaN와 SiC는 각각 언제 선택해야 하는지 자세히 알아보세요

TI GaN 기술의 이점

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개별 GaN FET보다 빠른 스위칭 속도

일체형 드라이버가 탑재된 GaN FET는 스위칭 속도가 150V/ns까지 도달할 수 있습니다. 이러한 스위칭 속도가 저인덕턴스 패키지와 결합되면서 손실을 줄이고, 깔끔한 스위칭을 구현하면서 링잉을 최소화합니다.

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더 작은 자기 부품, 더 높은 전력 밀도

빠른 스위칭 속도가 지원되는 GaN 디바이스를 사용하면 500kHz 이상의 스위칭 주파수를 달성할 수 있어 자기 부품 크기를 최대 60% 줄일 수 있고, 성능 향상과 시스템 비용 절감을 실현할 수 있습니다.

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안정성을 위해 설계

GaN 디바이스는 독점 기술 기반 GaN-on-Si 프로세스와 4천만 시간이 넘는 신뢰성 테스트, 보호 기능을 바탕으로 고전압 시스템을 안전하게 보호할 수 있도록 설계되어 있습니다.

주요 애플리케이션 알아보기

텔레콤 및 서버 전원
TI GaN 기술을 사용하여 96.5%의 총 에너지 효율과 100W/in^3 전력 밀도로 80 Plus® 티타늄 표준을 달성합니다
태양광 및 에너지 저장 시스템
TI GaN 기술을 이용해 양방향 AC/DC 전력 변환 시스템에서 1.2kW/L 이상의 전력 밀도를 달성합니다
배터리 테스트
TI GaN 기술을 이용해 배터리 테스터 시스템에서 채널 밀도는 높이고 AC/DC 컨버터 크기는 줄일 수 있습니다
차량용, OBC 및 DC/DC 컨버터
TI GaN 기술을 이용해 전기 자동차의 고전력 밀도를 구현합니다
HVAC 및 가전제품
TI GaN 디바이스로 HVAC(난방, 환기 및 공조) 및 가전 제품용 PFC 전력 단계를 통해 더 높은 전력 효율과 더 작은 폼 팩터를 실현합니다

TI GaN 기술을 사용하여 96.5%의 총 에너지 효율과 100W/in^3 전력 밀도로 80 Plus® 티타늄 표준을 달성합니다

GaN 디바이스를 이용해 스토리지, 클라우드 기반 애플리케이션, 중앙 컴퓨팅 성능 등을 지원하는 통신 및 서버 시스템을 설계하세요. 에너지 효율을 위한 설계 요구 사항을 충족하기 위해, TI의 설계는 80® Plus 티타늄 표준에 도달하여 99% 이상의 PFC(역률 보정) 효율성을 달성할 수 있습니다.

장점

  • >토템 폴 브리지리스 PFC 토폴로지에서 GaN로 99%의 효율성 실현
  • 절연 DC/DC 컨버터에서 스위칭 주파수 >500kHz로 자기 감소
  • 일체형 게이트 드라이버가 기생 손실을 줄이고 시스템 수준의 설계를 더 쉽게 만듭니다

주요 리소스

레퍼런스 설계
  • PMP20873 – 99% Efficient 1kW GaN-based CCM Totem-pole Power Factor Correction (PFC) Converter Reference Design
  • TIDA-010062 – 1-kW, 80 Plus titanium, GaN CCM totem pole bridgeless PFC and half-bridge LLC reference design
제품
  • LMG3422R030 – 600-V 30-mΩ GaN FET with integrated driver, protection and temperature reporting
  • LMG3422R050 – 600-V 50-mΩ GaN FET with integrated driver, protection and temperature reporting
  • LMG3411R150 – 600-V 150-mΩ GaN with integrated driver and cycle-by-cycle overcurrent protection

TI GaN 기술을 이용해 양방향 AC/DC 전력 변환 시스템에서 1.2kW/L 이상의 전력 밀도를 달성합니다

TI GaN 디바이스로 태양광 및 풍력 에너지로 구동되는 시스템을 개발하세요. GaN 디바이스는 더 작으면서 더 효율적인 AC/DC 인버터 및 정류기와 DC/DC 인버터를 설계할 수 있도록 도와드립니다. GaN 지원 양방향 DC/DC 변환을 이용하면 에너지 저장 시스템을 태양광 인버터에 결합하여 그리드에 대한 에너지 종속성을 감소시킬 수 있습니다.

장점

  • 기존 AC/DC 및 DC/DC 컨버터보다 3배 높은 전력 밀도(>1.2kW/L) 및 더 낮은 중량. 
  • 140kHz에서 GaN의 빠른 스위칭 속성은 SiC FET 대비 20% 더 높은 전력 밀도를 제공합니다
  • 2레벨 SiC 토폴로지에 비해 자기장 비용이 저렴해 전체적인 시스템 비용이 절감됩니다

주요 리소스

레퍼런스 설계
  • TIDA-010210 – 11-kW, bidirectional, three-phase ANPC based on GaN reference design
제품
  • LMG3422R030 – 600-V 30-mΩ GaN FET with integrated driver, protection and temperature reporting
  • LMG3522R030-Q1 – Automotive 650-V 30-mΩ GaN FET with integrated driver, protection and temperature reporting
  • LMG3422R050 – 600-V 50-mΩ GaN FET with integrated driver, protection and temperature reporting

TI GaN 기술을 이용해 배터리 테스터 시스템에서 채널 밀도는 높이고 AC/DC 컨버터 크기는 줄일 수 있습니다

일체형 게이트 드라이버가 탑재된 GaN FET로 AC/DC 전원 공급 장치의 크기를 줄이세요. TI의 GaN 디바이스는 MOSFETS 및 SiC FET보다 높은 주파수에서 스위칭하기 때문에 테스트 장비의 테스터 채널 밀도가 획기적으로 개선되고, 전원 공급 장치 과도 응답 시간이 단축됩니다.

장점

  • >토템 폴 브리지리스 PFC 토폴로지에서 GaN로 99%의 효율성 실현
  • DC/DC 단계에서 스위칭 주파수 >200kHz로 1ms 이내에 더 빠른 충전-방전 전환이 가능합니다
  • 일체형 드라이버가 기생 손실을 줄여 시스템 수준 설계를 더 쉽게 만듭니다

주요 리소스

완제품/서브시스템
레퍼런스 설계
  • TIDM-02008 – Bidirectional high density GaN CCM totem pole PFC using C2000™ MCU
  • PMP40690 – 4-kW interleaved CCM totem pole bridgeless PFC reference design using C2000™ MCU and GaN
제품
  • LMG3422R050 – 600-V 50-mΩ GaN FET with integrated driver, protection and temperature reporting
  • LMG3410R070 – 600-V 70mΩ GaN with integrated driver and protection

TI GaN 기술을 이용해 전기 자동차의 고전력 밀도를 구현합니다

하이브리드 전기 자동차(HEV) 및 전기 자동차(EV)의 차세대 온보드 충전기(OBC) 및 고-저 전압 DC/DC 컨버터는 GaN 전원 장치를 사용하여 더 높은 주파수에서 스위칭하고 자기 크기를 줄입니다. 이렇게 높은 스위칭 주파수와 감소된 크기는 실리콘 및 SiC 기반 OBC에 비해 더 높은 전력 밀도로 이어집니다. 

장점

  • 전력 밀도 3.8kW/L로, 동일한 부피에서 SiC 대비 많은 전력을 만들어냅니다
  • 스위칭 주파수는 CLLLC의 경우 >500kHz, PFC의 경우 120kHz입니다 
  • 시스템 수준 통합 효율성 96.5% 
  • 일체형 게이트 드라이버를 통해 시스템 수준의 설계를 간소화합니다

주요 리소스

제품
  • LMG3522R030-Q1 – Automotive 650-V 30-mΩ GaN FET with integrated driver, protection and temperature reporting
설계 툴 및 시뮬레이션
  • POWERSTAGE-DESIGNER – Power Stage Designer™ Tool of Most Commonly Used Switch-mode Power Supplies

TI GaN 디바이스로 HVAC(난방, 환기 및 공조) 및 가전 제품용 PFC 전력 단계를 통해 더 높은 전력 효율과 더 작은 폼 팩터를 실현합니다

PFC(Power-Factor Correction) 전력 단계는 EN6055와 같은 새로운 에너지 표준을 충족하기 위해 HVAC(난방, 환기 및 공조) 시스템에 필요합니다. GaN 전력 단계는 절연 게이트 양극 트랜지스터(IGBT)와 비교했을 때 효율성이 높아 자기, 히트 싱크 크기 및 총 시스템 비용이 절감됩니다.

장점

  • 최대 60kHz의 높은 스위칭 주파수로 자기 크기를 줄입니다
  • 스위칭 손실의 감소를 통해 전력 단계에서 효율성 >99%를 실현합니다
  • 크기가 작고 자연적인 냉각 기능이 있어 설계 크기와 비용을 절감할 수 있습니다

주요 리소스

레퍼런스 설계
  • TIDA-010203 – 4-kW single-phase totem pole PFC reference design with C2000 and GaN
제품
  • LMG3422R030 – 600-V 30-mΩ GaN FET with integrated driver, protection and temperature reporting
  • LMG3422R050 – 600-V 50-mΩ GaN FET with integrated driver, protection and temperature reporting
GaN의 애플리케이션은 효율성 성능을 저하시키지 않으면서 전력 밀도를 극대화할 수 있도록 고효율 파워 일렉트로닉스 분야의 델타(Electronics) 코어 전문성과 결합됩니다. 결과적으로 GaN 기술은 지금까지 불가능했던 새로운 제품 세계로 가는 문을 열어줍니다.
– Kai Dong | Delta Electronics 관리자, R&D

GaN 신뢰성 향상

TI의 목표는 모든 엔지니어가 GaN 디바이스의 신뢰성을 검증할 수 있도록 하는 것입니다. 그것이 바로 TI가 합동 전자 디바이스 엔지니어링 카운슬(Joint Electron Device Engineering Council)의 JC-70 와이드 밴드갭 파워 일렉트로닉 변환 반도체(Wide Bandgap Power Electronic Conversion Semiconductors) 메인 위원회와 협력 관계를 맺고 GaN 기술 채택을 확대할 수 있는 신뢰성과 검증, 데이터 시트 매개 변수 및 테스트 방법론에 대한 업계 표준을 개발한 이유입니다.

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GaN 디바이스를 이용한 설계

일체형 드라이버 및 보호 기능을 갖춘 GaN FET 포트폴리오를 이용하면 전 수명 기간 신뢰성을 바탕으로 한 높은 전력 밀도와 경쟁 솔루션 대비 더 저렴한 시스템 비용을 달성할 수 있습니다.

TI GaN 설계를 완성하세요

원하시는 것이 효율성 향상이든, 신뢰성 향상 또는 전자기 간섭 감소든, TI의 컴패니언 디바이스 포트폴리오는 GaN 시스템 성능을 최적화하도록 설계되어 있습니다.

기술 리소스

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GaN을 이용해 전기차 진화를 촉진합니다
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Optimizing GaN performance with an integrated driver
일체형 게이트 드라이버를 이용해 GaN 성능을 최적화하고 기생 인덕턴스를 최소화하는 방법에 대해 자세히 알아보세요.
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GaN 관련 레퍼런스 설계
TI 레퍼런스 설계 선택 툴을 사용하여 애플리케이션 및 매개 변수에 가장 적합한 설계를 찾을 수 있습니다.