1. 서론

지난 수십 년 동안 V족 반도체인 Si (Silicon)은 컨버터, 인버터와 같은 전력변환장치의 주요 소자로 널리 사용되어 왔다. 환경문제의 증가와 산업의 발전으로 인하여 전력변환장치는 고 전력밀도와 고 효율에 대한 요구를 받아왔으며 이에 부합하기 위하여 Si 반도체의 전기적 성능 개선에 관한 연구가 활발히 이루어져 왔다. 그 결과로 Super junction 구조의 MOSFET 등이 개발되었다. 그러나 Si의 물리적인 특성에 의하여 반도체소자의 성능이 한계에 다다름에 따라서 이를 사용하는 전력변환장치는 산업에서 요구하는 수준의 전력밀도와 효율을 달성하기 어려워지게 되었다^(1-2).

이 문제를 해결하기 위하여 최근에는 Si에 비하여 물리적 특성이 우수한 GaN (Gallium nitride)이 연구․개발되고 있다. GaN은 와이드 밴드 갭 (Wide Band GaP)과 이종접합 (High Electron Mobility Transistor) 구조를 가지는 III-V족 반도체로 Si에 비하여 더 작은 유전상수, 더 높은 임계전계와 밴드 갭, 더 빠른 전기 이동도와 포화 속도를 가진다^(1-3). GaN의 우수한 물리적 특징들로 인하여 GaN FET은 Si FET에 비하여 상대적으로 더 낮은 도통 저항과 빠른 스위칭 속도를 가질 수 있으므로 전력변환장치의 고 효율화와 고 전력 밀도를 달성할 수 있다^(1-2). 또한 GaN의 역 도통 특성과 역 회복 전류가 없다는 장점은 토템 폴 역률보상회로 (PFC)등 이전에는 사용이 제한적이었던 여러 가지 회로 토폴로지를 사용할 수 있게 하였다⁽³⁾.

역률 보상회로와 더불어 DC-DC 부스트 컨버터는 가장 많이 사용되는 승압 형 전력변환장치를 위한 회로 토폴로지다. 그러나 DC-DC 부스트 컨버터는 주요 소자인 전력반도체 (스위치, 다이오드 등)의 전력손실로 인하여 효율이 감소되는 문제가 발생하고 있다⁽⁴⁾. 일반적인 DC-DC 부스트 컨버터 (Fig. 1(a) )에서는 스위치의 도통 및 스위칭 손실과 다이오드의 도통 및 역 회복 손실이 효율 감소의 주요 원인이다. 일반적인 부스트 컨버터의 효율을 개선하기 위한 방안으로 다이오드의 전력손실을 줄 일 수 있는 동기식 부스트 컨버터가 제안되었다 (Fig. 1(b) ). 그러나 스위치 내부 다이오드의 역 회복 전류로 인하여 전력 손실이 발생하며 이 문제를 개선하기 위해서는 역 회복 전류가 작은 다이오드를 추가로 사용해야 한다는 단점이 발생한다⁽⁵⁾.

Fig. 1. Block diagram of (a) the conventional DC-DC boost converter and (b) synchronous DC-DC boost converter

이에 본 논문에서는 DC-DC 부스트 컨버터의 효율을 극대화할 수 있는 회로 토폴로지인 동기식 부스트 컨버터에 역 도통이 가능하고 도통 손실이 적으며 역 회복 전류가 없는 GaN FET을 적용하는 연구를 수행함으로써 기존의 동기식 컨버터의 단점을 극복하였다.

연구의 타당성과 효용성을 검증하기 위한 방법으로 두 개의 GaN FET을 적용한 35W급 동기식 부스트 컨버터를 제작하여 실험하였다.

본 논문의 구성은 다음과 같다. 2장에서는 GaN FET의 특징과 두 개의 GaN FET을 적용한 동기식 DC-DC 부스트 컨버터의 구조와 동작원리를 설명하였으며 3장에서는 일반적인 DC-DC 부스트 컨버터와 동기식 부스트 컨버터의 전력반도체로 인한 전력 손실을 위한 수식을 유도하였다. 4장에서는 실험 결과를 바탕으로 GaN FET을 적용한 동기식 DC-DC 부스트 컨버터의 우수성에 대한 논의를 하였다. 5장에서는 본 논문에서 제시하는 연구내용과 의의에 대해서 요약하였다.

2. GaN FET을 적용한 동기식 DC-DC 부스트 컨버터

2.1 회로 구성

GaN FET을 적용한 동기식 DC-DC 부스트 컨버터 (Fig. 2)는 일반적인 DC-DC부스트 컨버터 (Fig. 1(a) )에서 다이오드 D와 스위치 Q_A를 두 개의 GaN FET으로 대체하여 구성된다. GaN FET을 적용한 동기식 DC-DC 부스트 컨버터는 이전의 동기식 DC-DC 부스트 컨버터 (Fig. 1(b) )의 Si 스위치와 비교할 때 내부 다이오드가 없으며 역 도통이 가능한 특징을 가지고 있다. 역 도통이 가능한 동기식 MOSFET의 경우 내부 다이오드가 존재하며 내압이 낮다는 단점이 있다.

Fig. 2. Block diagram of the GaN FET based synchronous DC-DC boost converter

GaN FET 은 다이오드와 MOSFET에 비하여 스위칭 속도가 빠르고 도통 저항이 작다. 또한 역 도통이 가능하고 내부 다이오드가 없으므로 역 회복 전류가 없다는 매우 중요한 장점을 가지고 있다. 따라서 GaN FET을 적용한 동기식 DC-DC 부스트 컨버터는 이전의 DC-DC 부스트 컨버터들에 비하여 스위치와 다이오드에 의한 스위치 손실을 줄일 수 있어 컨버터 효율을 극대화할 수 있다.

2.2 GaN FET 및 회로 동작

GaN FET은 Fig. 3와 같은 전압과 전류 특성을 가지고 있다. 게이트-소스 전압 (V_gs)이 임계전압 (V_th) 이상이 되고 드레인-소스 전압 (V_ds)이 0보다 크면 GaN FET은 모드 ①에서 동작하게 되며 등가회로는 Table 1에서 보듯이 정 방향 도통저항 (R_on)과 같다.

Fig. 3. I-V curve of GaN FET

게이트-소스 전압 (V_gs)이 임계전압 (V_th) 이상이 되고 드레인-소스 전압 (V_ds)이 0보다 작으면 GaN FET은 모드 ②에서 동작하게 되며 등가회로는 역 도통저항 (R_on)과 같다. 게이트-소스 전압 (V_gs)이 임계전압 (V_th) 보다 작고 드레인-소스 전압 (V_ds)이 게이트-소스 전압 (V_gs)과 임계전압 (V_th)의 합보다 작으면 GaN FET은 모드 ③에서 동작하게 되며 등가회로는 Table 1 에서 보듯이 다이오드와 같다. 게이트-소스 전압 (V_gs)이 임계전압 (V_th) 보다 작고 드레인-소스 전압 (V_ds)이 게이트-소스 전압 (V_gs)과 임계전압 (V_th)의 합보다 크면 GaN FET은 모드 ④에서 동작하게 되며 스위치가 off된다.

Table 1. Four operating modes of GaN FET according to V_gs and V_ds

Mode	Condition	Equivalent Circuit	State
①	Vgs ≥ Vth and Vds ≥ 0		Switch (on)
②	Vgs ≥ Vth and Vds < 0		Switch (on)
③	Vgs < Vth and Vds ≤ Vgs+Vth		Diode (on)
④	Vgs < Vth and Vds > Vgs+Vth		off

위의 GaN FET의 동작 특징을 이용한 동기식 DC-DC 부스트 컨버터에서는 GaN FET들 (Q_A, Q_B)은 교번하여 동작하게 되며 이전의 동기식 DC-DC 부스트 컨버터와 같이 Q_B가 꺼지고 Q_A가 켜지면 Q_A를 통해서 인덕터 L에 에너지가 저장되고 그 반대가 되면 Q_B가 역 도통이 되어 부하 R로 에너지를 전달하게 된다⁽⁵⁾. 컨버터 동작에서 GaN FET들 (Q_A, Q_B)은 역 도통이 가능하고 역 회복 전류가 발생하지 않는다.

3. 전력 반도체 소자 손실 분석

GaN FET의 우수한 전기적 특징을 확인하기 위하여 Si 스위치와 다이오드를 사용하는 CCM (Continuous Conduction mode)으로 동작하는 일반적인 DC-DC 부스트 컨버터와 두 개의 GaN FET을 사용하는 동기식 DC-DC 부스트 컨버터에서의 반도체 소자들의 스위치 손실을 분석하였다.

4. 실험결과

DC-DC 부스트 컨버터의 효율을 극대화하기 위하여 연구된 GaN FET을 적용한 동기식 부스트 컨버터의 우수성을 검증하기 위하여 입력전압 12V, 출력전압 24V, 동작주파수 300kHz, 출력파워 35W의 Prototype (Fig. 4)이 제작되었으며 Si FET을 적용한 일반적인 부스트 컨버터와 비교하여 실험하였다.

Fig. 4. Prototype of the synchronous DC-DC boost converter using two GaN FETs

부스트 컨버터들에 사용된 주요 소자들은 다음과 같다. 인덕터 L은 인덕터 전류 IL의 리플이 20%가 되도록 하여 33μH로 설계하였으며 출력 커패시터 C는 출력전압 Vo 리플이 5%이하가 되도록 4.7μF이 사용되었다.

GaN FET과 MOSFET의 외부 게이트 저항 Rg는 동일하게 30Ω을 사용하였다. 스위치 소자는 동기식 부스트 컨버터에서는 GaN FET으로 LMG5200이 사용되었으며 일반적인 부스트 컨버터는 MOSFET과 다이오드로 FDPF390N15A와 MUR815G가 각각 사용되었다.

Fig. 5는 동기식 부스트 컨버터의 하단 GaN FET인 Q_A의 V_ds와 일반적인 부스트 컨버터의 MOSFET 스위치의 V_ds의 측정된 실험 파형을 각각 나타낸다. 측정된 GaN FET의 V_ds의 상승 시간 tr은 13ns이고 하강 시간 tf는 16ns였으며 MOSFET의 V_ds의 상승 시간 tr은 14ns이고 하강 시간 tf는 55ns이었다. GaN의 우수한 물리적 특성으로 인하여 GaN FET은 MOSFET보다 스위칭 속도가 빨랐다.

Fig. 5. Measured Vdsof the (a) GaN FET and (b) MOSFET for DC-DC boost converters at Vin = 12V, Vo = 24V, fsw = 300kHz, and Po = 35W

Fig. 6은 DC-DC 부스트들의 전기적 효율 측정에 앞서 반도체 소자 제조사에서 제공하는 각 소자들의 전기적 스펙과 실험에서 측정한 tr, tf를 3장에서 유도한 전력반도체 수식(1)∼ (10)에 대입하여 일반적인 부스트 컨버터의 MOSFET과 Diode에 의한 전력손실과 동기식 부스트 컨버터의 GaN FET에 의한 전력손실을 계산하여 비교하였다. 동기식 부스트 컨버터의 상단 스위치 QB와 하단 스위치 Q_A는 일반적인 부스트 컨버터의 소자들에 비하여 각각 1.668W와 0.907W의 전력손실이 줄었으며 상단 스위치 QB로 인한 전력손실 개선효과가 더 컸다. 이러한 실험 결과로부터 동기식 DC-DC 부스트 컨버터에 GaN FET을 적용할 경우 추가 소자를 사용하지 않아도 다이오드에 의한 전력을 줄여 컨버터의 효율을 개선시킬 수 있었다. Fig. 7은 DC-DC 부스트들의 부하변동 (Po = 5W∼35W)에 따른 전기적 효율을 측정한 결과이다. 실험결과 GaN FET을 사용한 동기식 DC-DC 부스트 컨버터는 Fig. 6에서 분석한 결과와 같이 GaN FET의 우수한 전기적 특성으로 인하여 전력반도체에 의한 전력 손실이 줄어들기 때문에 전 부하영역에서 Si FET을 사용한 일반적인 부스트 컨버터에 비하여 효율이 높았다. 컨버터의 전기적 효율은 출력파워가 커짐에 따라서 개선 효과가 컸으며 출력전력 35W에서 최대 4.9%가 개선되었다.

Fig. 6. Calculated power losses of (a) MOSFET and diode and (b) GaN FETs for DC-DC boost converters at Vin = 12V, Vo = 24V, fsw = 300kHz, and Po = 35W

Fig. 7. Comparison of the measured power efficiency between the Si based conventional and GaN based synchronous DC-DC boost converters

5. 결 론

본 논문에서는 Si FET에 비교하여 GaN FET의 우수한 전기적 특성을 분석하였으며 여러 특성 중 역 회복 전류가 없고 역 도통 이 가능한 GaN FET의 장점을 활용하기 위한 방안을 연구하였다. 그 결과, 두 개의 GaN FET들을 사용하는 동기식 DC-DC 부스트 컨버터를 선정하였다. 제안하는 부스트 컨버터의 우수성을 검증하기 위하여 입력전압 12V, 출력전압 24V, 동작주파수 300kHz, 출력파워 35W의 Prototype이 제작되었으며 Si FET을 적용한 일반적인 부스트 컨버터와 비교하여 실험하였다. 실험결과 두 개의 GaN FET을 적용한 동기식 부스트 컨버터가 MOSFET과 다이오드를 사용하는 일반적인 부스트 컨버터와 비교하여 전력반도체 소자들에 의한 전력 손실이 줄었으며 그로 인하여 컨버터 전기적 효율이 출력전력 35W에서 최대 4.9% 개선되었다.