울프스피드 실리콘 카바이드가 오프라인 스위칭 모드 전원 공급 장치를 가능하게 하는 방법

실리콘 카바이드(SiC) 기술은 다양한 응용 분야에서 여러 시스템 및 하위 시스템 구성 요소를 개선해왔습니다. 실리콘과 비교했을 때, 실리콘 카바이드는 더 높은 전력 밀도와 빠른 스위칭, 온도에 따른 평탄한 RDS(on) 값, 그리고 뛰어난 바디 다이오드 성능을 통해 더 나은 효율을 입증했습니다. 이 글에서는 Wolfspeed의 SiC 구성 요소가 특히 실리콘(Si) 및 갈륨 나이트라이드(GaN) 장치와 비교했을 때 효율성, 전력 밀도, 전체 시스템 비용 측면에서 오프라인 SMPS 시스템을 어떻게 뛰어나게 만드는지 살펴보겠습니다.

SMPS 동향 및 Si, 실리콘 카바이드, GaN 간 비교

오프라인 SMPS는 일반적으로 데이터 센터, 통신 기지국, 전력 채굴 시스템과 같은 ACDC 전력 시스템입니다. 데이터 센터는 전체 생성된 전력의 약 10%를 소비하며, SiC를 구현하여 에너지의 1%만 절감하더라도 이는 1GW씩 운영되는 세 개의 원자력 발전소와 맞먹는 전기를 절약하는 셈이 됩니다.   산업 표준인 1세대 데이터 센터 전력 아키텍처와 비교했을 때, 2세대 아키텍처는 AC 입력에서 무정전 전원 공급장치와 전력 분배 장치를 제거하고, DC 버스를 12V에서 48V로 변경했으며, DC 버스(48V)에 배터리 백업 시스템을 추가했습니다. 이러한 변화로 인해 전체 시스템 효율이 85%로 향상되었으며 이는 27개의 원자력 발전소와 동등한 에너지 절약을 가져왔습니다.   OCP3.0 또는 고효율(HE) 통신용 정류기를 포함하는 2세대 데이터 센터의 일반적인 사양은 다음과 같습니다:

온도와 관련하여 R_DS(on)의 동작을 분석할 때, SiC가 다른 기술을 능가하는 것으로 나타납니다. 또한 대부분의 데이터시트는 R_DS(on)을 실온(25˚C)에서 광고하지만, 설계자는 120˚C에서 140˚C 사이로 변화할 수 있는 실제 접합 온도를 고려해야 합니다. 그리고 R_DS(on)이 I²R 손실(전도 손실)과 연관되어 있다는 점을 주목하는 것이 중요한데, 이는 SiC의 60-mΩ 등급이 Si 및 GaN의 40 mΩ와 동일하다는 의미입니다.   SiC가 Si 및 GaN-on-Si와 비교될 때 더 정량적인 관점을 제공하기 위해, 그림 2는 SiC 부품을 채택할 때 온도 특성, 전압, 크기/패키지가 어떻게 개선되는지를 보여줍니다.

기술 간 비교가 가능한 여러 다른 매개변수에는 V_gs, 접합 온도 T_j, R_DS(on), 정전 용량, 전환 시 복원 등이 있습니다. 비록 SiC가 모든 항목에서 우세하지는 않지만 대부분의 경우 우수함을 보입니다. 온도와 관련하여, SiC는 가장 높은 T_j,max를 가지며, 이는 전반적인 내구성을 향상시키지만 가장 낮은 열 접합 저항(R_th)을 가지지는 않습니다. 그러나, 대부분의 작동 온도에서 SiC의 R_DS(on)은 가장 낮아 손실을 줄이고 효율성을 높임으로써 최대 전력 전달을 가능하게 합니다. GaN은 애벌랜치 내구성을 가지지 않으므로 SiC의 단일 펄스 애벌랜치 에너지는 더 나은 내구성과 보호를 제공합니다. 또한, 더 높은 V_gs,th 는 노이즈 내성을 증가시키며 구동이 더 쉬워집니다. 스위칭 성능에 관해서는 GaN이 가장 낮은 Q_rr과 정전 용량을 제공할 수 있지만, SiC는 그 바로 뒤를 따릅니다. 이는 스위칭 손실과 효율성과 관련이 있기에 중요한 요소입니다. 일반적으로, Si는 구동하기 쉽지만 스위칭 성능과 손실 면에서는 경쟁할 수 없습니다. GaN은 스위칭 성능 면에서 우수하지만 내구성은 부족하며, SiC는 전반적으로 우수한 효율성 솔루션을 제공하며 뛰어난 열 특성과 최소 손실을 보장합니다.   그림 3은 IPW60R055CFD7(Si), C3M0060065J(SiC), 그리고 IGT60R070D1(GaN)의 직접 비교를 보여줍니다.

PFC 토폴로지 및 구성 요소 선택

전통적으로 PFC 기술은 LC 구성 요소가 포함된 브리지 정류기를 필요로 하며, 이는 단순한 구성으로 이루어지지만 부피가 크고 무겁습니다. 오늘날 산업에서는 정류기와 부스트 구성 요소를 포함하는 능동 부스트 PFC 토폴로지를 사용하고 있습니다. 이 구성은 구현하기에 용이하며 적당한 비용으로 적절한 성능을 제공하지만 최신 효율 기준을 충족시키는 데 어려움이 있습니다. 현재 산업은 손실을 줄이고 전력 밀도를 증가시키는 브리지리스 토템폴 PFC 설계(그림 4 참조)로 진화하고 있습니다. 여기에서 SiC MOSFET이 효율을 크게 증가시키고 미래 설계자의 요구를 충족시킬 수 있습니다.

디자인을 고려할 때 브리지리스 PFC 솔루션에는 Si, SiC, GaN을 아우르는 MOSFET 기술을 포함한 여러 옵션이 있습니다. 부품 수/비용, 전력 밀도, 최고 효율, 게이트 제어 요구 사항을 분석해 보면, SiC MOSFET을 활용한 연속 전도 모드(CCM) 토템폴 PFC 설계가 고효율, 고전력 밀도 애플리케이션에 분명한 선택지임이 드러납니다. 그림 5는 다양한 토폴로지와 기술을 상세히 비교하며, SiC 기반 CCM 토템폴 구성의 명확한 이점을 강조합니다.

이전과 동일한 주요 매개변수를 비교했을 때, GaN은 여전히 최고의 스위칭 성능을 갖추고 있지만, 온도 변화에 따른 R_DS(on) 값이 훨씬 더 높아져 전력 전달 능력이 저하됩니다. 또한, 매우 낮은 Vth로 인해 구동이 어렵고 노이즈에 취약해집니다. 효율 측면에서 보면, SiC 기반의 CCM 토템폴 PFC 구성은 Si 기반 H-브리지 토폴로지보다 높은 효율을 가질 수 있으며, GaN과 유사한 효율을 제공합니다. 그러나 궁극적으로 높은 신뢰성과 동작 온도, 그리고 애벌랜치 기능 등을 고려했을 때, SiC는 토템폴 PFC 설계에서 더 견고하고 안정적인 선택입니다.   Si 솔루션의 비용이 가장 저렴하지만, 토템폴 구성에서는 GaN보다 SiC를 구현하는 것이 더 저렴하여 프리미엄 성능을 합리적인 가격으로 제공합니다. Wolfspeed SiC C3M0060065J와 동등한 성능을 가진 3-kW 토템폴 PFC용 GaN 부품 5개를 비교한 비용 분석에 따르면, 전력 스위치, 바이어스 전원, 게이트 드라이버 및 절연, 전류 감지, PFC 초크, 방열 비용(히트싱크)을 비교했을 때, 일부 GaN 장치의 비용이 SiC보다 최대 84% 더 비쌀 수 있는 것으로 나타났습니다.   CRD-02AD065N은 Wolfspeed의 2.2-kW 토템폴 PFC 모듈로, C3M MOSFET을 사용하며 80plus Titanium 표준(최대 98.8% 효율)을 달성하는 동시에 풀로드 조건에서 총 고조파 왜곡을 5% 미만으로 유지합니다. 설계 파일 및 관련 교육 자료는 Wolfspeed 웹사이트에서 이용할 수 있습니다.

DC/DC 변환을 위한 구성 요소 및 토폴로지 선택

80plus Titanium에 필요한 높은 효율을 달성할 수 있는 또 다른 접근 방법은 LLC 공진 컨버터(그림 6에 표시됨)입니다. 이 구성은 일반적으로 영전압 켜짐(zero-voltage turn-on), 저전류 꺼짐(low-current turn-off, 즉 낮은 스위칭 손실을 의미), 고주파 스위칭, 저전압 오버슈트(EMI 친화적이라는 점에서 유리), 그리고 제어의 유연성을 제공합니다. 이는 LLC를 효율성과 전력 밀도 측면에서 비교 가능한 기술로 만듭니다.

PFC 구성에서 볼 수 있었던 것처럼 주요 매개변수 비교는 유사한 결과를 보여줍니다. SiC는 GaN과 유사한 스위칭 성능을 가지며 온도 전체 범위에서 더 나은 R_DS(on)을 제공하고, 더 높은 접합 온도 등급과 애벌랜치(파괴성 과도 현상) 기능을 갖추고 있어 LLC에서 사용되는 전력 디바이스에 더 신뢰할 수 있는 선택이 됩니다.   CRD06600DD065N은 Wolfspeed의 500kHz LLC 컨버터 설계 예로, 6.6kW 최대 출력에 98% 이상의 피크 효율로 400 VDC(폐루프) 또는 390–440 VDC(개루프)를 출력합니다. 관련 회로도/PCB 파일은 Wolfspeed 웹사이트에서 제공되며, 이를 통해 설계자가 이 토폴로지를 시작하고 안내받을 수 있습니다.   따라서 LLC 컨버터의 경우, SiC는 Si와 유사한 전력을 제공하지만, 더 높은 스위칭 주파수를 가능하게 함으로써 통합되고 더 작은 자성 부품 덕분에 더 작고 가벼운 형태로 제공합니다(비교는 그림 7 참조). 실험 결과에 따르면, Si와 SiC MOSFET을 나란히 실행할 경우, SiC 부품(Wolfspeed의 C3M0060065)은 온도에 따른 평평한 R_DS(on), 빠른 스위칭, 낮은 게이트 구동 전력 손실 덕분에 더 높은 효율을 나타냅니다. 무거운 부하에서는 Si 부품이 높은 전도 손실과 느린 스위칭으로 인해 열 폭주 상태에 들어갑니다.

최종 요약 

결론적으로, 오프라인 SMPS 시스템을 위한 80plus Titanium은 매우 높은 효율을 요구하며, SiC는 추가적인 견고성 요소로 이를 충족시켜 고신뢰성 애플리케이션을 가능하게 합니다. SiC는 온도에 따른 R_DS(on)의 명확한 이점, 더 높은 접합 온도 등급, 애벌랜치(avalanche) 성능, 그리고 산업 표준의 풋프린트를 통해 99% 이상의 효율을 제공할 수 있으며, 이는 토템폴 PFC와 LLC 컨버터 애플리케이션에서 사용되는 전력 장치에 가장 적합한 선택으로 만들어 줍니다. SiC는 여러 응용 분야에서 전력 산업을 혁신하고 있는 기존 기술로 자리잡았으며, Wolfspeed가 SiC MOSFET을 발명하였기에, 우리는 7조 시간 이상의 Wolfspeed SiC 전력 필드 경험과 시장을 선도하고 있는 SiC 구성 요소/모듈의 완전한 포트폴리오를 보유하고 있습니다.