항공우주 설계 하위 시스템이 점점 복잡하게 작고 강력해지면서 열관리는 이제 최우선 과제가 되었습니다. 특히 항공우주 부문에서는 상당한 고온이 발생하는 경우가 많아 열관리 문제는 설계 프로세스 극초반에 처리해야 합니다.
차세대 상업용 우주선은 현재 우주선보다 훨씬 많은 전력을 요구할 것이며, 따라서 처리 집약적인 항공우주 부문에서는 전력 생성보다 열관리가 훨씬 중요한 문제가 됩니다.
또한 열관리 설계 제한은 항공우주 임베디드 시스템과 RF 단일 초고주파 집적회로(MMIC)의 크기, 하중 및 전력 소비(SWaP) 제약과 결합합니다. 따라서 설계 엔지니어가 전력 공급 장치의 냉각 시스템 크기를 줄일 수 있다면, 그 영향은 자재 명세서(BOM) 비용 감소와 열관리 요구사항 감소로 이어질 수 있습니다.
열관리 분야에는 수냉식 인클로저 역할을 하는 냉각판에서 액체와 증기를 열 교환기가 있는 곳까지 옮기는 배관 시스템을 비롯한 다양한 차원이 있습니다. 열을 발산하는 열 흡수원도 중요합니다.
하지만 이 문서에서는 올바른 부품 선택과 시스템 수준 설계 노하우를 바탕으로 개발자가 상업용 항공 부문의 극한 조건에 적합한 열관리 솔루션을 만드는 방법을 중점적으로 다룹니다. 또한 시스템 엔지니어가 열 발산 양을 제한하여 RF 전력 증폭기(PA)와 심층 임베디드 항공기 시스템 성능을 개선하는 방법도 설명합니다.
SiC 및 GaN을 이용한 열관리
역사상 가장 작은 칩 모양 때문에 같은 공간에서 더 많은 열이 발생하는 현 상황에서 열관리는 더욱 중요한 부품 수준 문제가 되었습니다. 열이 증가하면 프로세서 속도가 감소하며, 열이 집중되고 온도가 급증하는 칩 핫스팟에서는 더욱 그렇습니다.
하지만 열관리 문제가 병목 지점에 도달하면 실리콘 카바이드(SiC)와 질화 갈륨(GaN) 같은 와이드밴드 갭(WBG) 반도체가 구원투수 역할을 합니다. 항공우주 부문에서의 시스템 효율과 전력 밀도를 대폭 개선하기 때문입니다. 열을 금형 밖으로 빠르게 배출하는 반도체 소재는 여러 장치를 아주 가까운 곳에 배치해야 하고 수 킬로와트의 열이 발생하는 항공우주 전자 장치의 구세주와도 같습니다.
우선 SiC 및 GaN 장치를 이용하면 전력 설계 시 능동 냉각을 수동 냉각으로 전환할 수 있습니다. WBG 소재의 열 도전율이 훨씬 뛰어나기 때문입니다. 따라서 전력 시스템 설계자는 냉각 시스템을 교체할 수 있습니다. 다음으로 전환 주파수가 증가하기 때문에 시스템 크기가 줄어들고 자석과 커패시터의 전체 수가 감소합니다. 또한 방열판과 인클로저에 사용하는 금속 양도 줄어듭니다.
다시 말해 열관리가 개선되면 필요한 지원 부품 수가 감소하며, 결과적으로 파손 가능한 부품도 줄어듭니다. 예를 들어 가벼운 전력 공급 장치는 작은 자석을 사용하며 결과적으로 방열판 크기가 감소합니다. 방열판이 아예 필요 없는 경우도 있습니다.
고온에서의 안정적인 SiC 및 GaN 장치 운영은 SWaP 제약이 적용되는 항공 전자 장치에서는 더욱 중요합니다. 이러한 광대역 전력 장치는 항공우주 산업에서 연료 소모와 열 방출을 낮추는 가벼운 하위 시스템으로 이어집니다. 따라서 항공우주 설계가 SiC 및 GaN 반도체 솔루션을 도입하여 같은 양의 부하 대비 파워 컨버터의 크기를 줄이는 방향으로 가는 것도 당연한 일입니다.
SiC 및 GaN 장치는 높은 열 도전율로 고전력 밀도를 보완하는 WBG 소재의 기능을 이용해 다른 칩 기술에 비해 더 효율적으로 열을 분산합니다. 덕분에 이러한 반도체 장치는 주어진 출력 전력에서 더 낮은 온도로 작동할 수 있기 때문에 신뢰성과 파괴 전압이 높으며 GaAs 및 실리콘 장치 대비 고장 간 평균 시간(MTBF)이 더 깁니다(그림 1).
그림 1: 실리콘, SiC 및 GaN 장치의 고장 전압 정격 비교. 이미지 출처: Research Gate
항공 전자 장치 동력을 위한 SiC MOSFET
항공 업계에서 SiC 반도체가 전력 공급 시스템에 줄 수 있는 이점을 인식하기 시작했습니다. 예를 들어 낮은 온상태 저항의 SiC MOSFET을 이용하면 전도 손실을 줄이고 온도 변동에 최소한의 영향만 줄 수 있습니다. 이는 열관리 감소를 의미하며, 그 결과 더 작고 경제적인 방열판과 저렴한 냉각 부품을 이용할 수 있게 됩니다.
SiC MOSFET은 항공 전자 장치 전력 스위치의 크기와 무게를 대폭 감소할 수 있기 때문에, 연료 소모와 열 방출을 현저히 줄일 수 있습니다. 높은 열 도전율과 자기장 파손 저항력 덕분에 내장형 열관리가 가능하여 항공우주 전자 장치의 성능을 높일 수 있습니다.
대표적인 예는 Microchip의 자회사인 Microsemi에서 제공하는 1,200-V SiC MOSFET인 MSC040SMA120B입니다. 이 제품은 항공우주 설계 관련 전력 분산, 액츄에이션, 공조 및 모터 제어 부문에서 더욱 효율적인 열관리를 보장합니다.
전력 분산 및 모터 구동 부문에 배포된 SiC 장치에서는 게이트 드라이브 컨디셔닝 회로 관리가 중요한 문제로 부상하고 있습니다. MSC040SMA120B SiC MOSFET은 이 문제를 해결할 수 있는 뛰어난 채널 이동성, 산화물 수명과 임계 전압 안정성을 제공합니다.
또한 하프 브리지 또는 독립 드라이브를 이용하는 스위치 구성 가능 하이/로우 사이드 드라이버의 경우Microchip은 MSC040SMA120B SiC MOSFET을 자사의 MSCSICMDD/REF1 참조 설계 보드에 통합합니다(그림 2). 고절연 SiC MOSFET 듀얼 게이트 드라이버인 MSCSICMDD/REF1은 스위치를 이용해 원 사이드 온 및 데드 타임 구성을 지원하는 하프 브리지 구성으로 드라이브할 수 있습니다.
그림 2: 고절연 SiC MOSFET 듀얼 게이트 드라이버 스위치를 촉진하여 여러 토폴로지에서 SiC MOSFET 평가 수단을 제공하게 하는 참조 설계. 이미지 출처: Microchip
전력 증폭용 GaN
SiC 반도체 같은 GaN 장치는 상당히 높은 작동 온도도 견딜 수 있으며 높은 열 도전율과 파괴 전압을 제공합니다. 나아가 GaN 반도체는 자체 회로기판 대신 SiC 회로기판에 장착할 수 있습니다. SiC 회로기판의 높은 열 도전율은 GaN-on-SiC 장치가 상업용 항공우주 설계에 공통적으로 적용되는 고전압 및 고전력 부문을 지원하는 데 도움이 됩니다.
대표적인 예는 광범위한 상업용 항공 부문에서 새로운 설계 기회를 제공하는 신세대의 레이더 시스템을 촉발하는 65-V GaN 기술입니다. SiC 회로기판 상의 GaN 전자 이동도 트랜지스터(HEMT) 장치가 안정적인 열 발산을 바탕으로 오랫동안 안정성을 제공합니다.
SiC 회로기판에서 제조한 GaN HEMT인Wolfspeed의 CGHV96100F2는 높은 파괴 전압, 빠른 포화 전자 표류 속도와 뛰어난 열 도전율을 제공합니다(그림 3). 또한 금속 또는 세라믹 플랜지형 패키지 형태로 이용해 전기 및 열 성능을 개선할 수도 있습니다.
그림 3: GaN 트랜지스터는 100W의 출력 전력과 7.9GHz~9.6GHz의 작동 주파수를 지원합니다.
이미지 출처: Wolfspeed
GaN 장치인 HEMT와 MMIC는 실리콘-게르마늄(SiGe), 갈륨 비소(GaAs)와 실리콘 기반 횡방향 확산 MOSFET(LDMOS) 기술에 비해 PA에서 더 높은 전압을 제공하여 RF 전력을 수월하게 높일 수 있기 때문에, 항공용 레이더 같은 항공우주 설계에서 점점 인기를 얻고 있습니다.
항공기 설계에서는 엄격한 열관리 요구사항을 바탕으로 고출력 PA를 페이로드와 날개 끝에서 구현하는 일이 늘어나고 있습니다. 더 높은 전압 및 전력 증폭을 촉진하는 일 외에도 GaN 장치는 공간 제약이 심한 항공 전자 장치 설계의 중요한 요소인 경량 솔루션 개발에서도 큰 역할을 합니다.
결론
밀도 증가는 필연적으로 항공우주 임베디드 시스템 냉각 성능의 대폭적인 개선을 요구합니다. 또한 공간을 의식할 수밖에 없는 항공우주 산업은 가벼운 설계를 요구하며, 따라서 쉬운 열관리가 필요하게 됩니다.
이 문서에서 설명하는 것처럼 SiC 및 GaN 장치는 항공 전자 장치 임베디드 시스템에서의 복잡한 열관리 문제 해결에 이상적입니다. 하지만 이러한 WBG 장치는 아직 초기 단계이며, 완전히 상품화되지 않았습니다. 따라서 항공우주 시스템 설계자는 부품을 주의 깊게 선택하여 자신의 구체적인 열관리 요구사항을 충족하는 장치를 선택해야 합니다.
