전력손실 절반으로 줄인다.. TI GaN IPM 출시-아이씨엔매거진

GaN 기술 통합으로 가전 및 HVAC 시스템에서 99% 이상의 인버터 효율 구현

오늘날 전 세계적으로 계절별 에너지 효율 비율(SEER) 최저 소비효율 기준(MEPS), 에너지 스타(Energy Star) 및 에너지 효율 목표관리제(Top Runner)와 같은 가전제품 및 HVAC 시스템에 대한 전 세계 효율 표준이 점점 더 엄격해지고 있다. 탄소 저감을 위한 에너지 효율 기기에 대한 수요가 급증하고 있는 것이다.

특히 고전압 가전 및 HVAC 시스템 엔지니어들은 전 세계적인 흐름인 탄소제로를 실현하는 환경에서의 지속 가능성 목표를 지원하기 위해 더 높은 에너지 효율 표준을 충족하기 위해 노력해야 한다. 또한, 안정적이고 조용하며 동시에 컴팩트한 시스템에 대한 소비자의 요구도 충족해야 한다.

기존 제품 대비로 전력손실을 50% 이상 줄이고, 크기도 50%까지 줄일 수 있는 새로운 GaN(질화갈륨) 기반의 지능형 전력 모듈(IPM)이 처음으로 출시돼 주목된다.

GaN은 인터터 효율을 높이는데 큰 영향을 미친다. GaN FETs은 기존의 MOSFETs나 IGBTs에 비해 전력 변환에서의 스위칭 손실을 크게 줄일 수 있기 때문이다.

GaN은 특히 제로 역회복(zero reverse recovery)을 제공한다. 이는 GaN FET를 매우 높은 전류 슬로우 레이트(di/dt)와 전압 슬로우 레이트(dv/dt)로 스위칭할 수 있도록 한다. 반면에, MOSFET에서는 바디 다이오드가 높은 역회복을 겪어 스위칭 di/dt와 dv/dt를 제한하고 추가적인 손실과 위상 노드 전압 고빈도 진동을 초래한다. IGBT의 경우에도, 최적화된 역페러럴 다이오드를 추가해도 역회복과 관련된 문제가 발생할 수 있다.

GaN 솔루션은 최소한 50% 이상의 전력 손실을 줄일 수 있도록 한다.

Efficiency comparison between DRV7308 GaN IPM and IGBT IPM in a 250W system (image. TI)

텍사스 인스트루먼트(TI)는 6월 13일 온라인 미디어 브리핑에서 업계 최초로 250W 모터 드라이브 애플리케이션을 위한 650V 3상 질화 갈륨(GaN) IPM을 출시한다고 소개했다.

TI의 새로운 DRV7308 GaN IPM은 99% 이상의 인버터 효율, 최적화된 음향 성능, 솔루션 크기 감소 및 시스템 비용 절감을 실현한다. 이로써 엔지니어가 주요 가전제품과 HVAC(난방, 환기 및 공조) 시스템을 설계할 때 일반적으로 직면하는 많은 설계 및 성능 저하 문제 해결이 한결 쉬워졌다.

찰리 무노즈(Charlie Munoz) TI 모터드라이브 부문 마케팅 매니저는 “오늘날 가전제품 및 HVAC 시스템 설계자들은 가격 경쟁력을 갖추면서도 신뢰할 수 있는 조용하고 컴팩트한 시스템에 대한 소비자 요구를 해결하면서 더 높은 에너지 효율 기준을 충족시켜야 한다”며, “시스템 비용을 추가하지 않으면서도 보다 안정적이고 에너지 효율적인 소형 모터 드라이브를 설계해야 하는 과제에 직면했다.”고 설명했다.

찰리 무노즈 매너지는 “업계 최초의 통합 GaN IPM인 TI DRV7308은 250W 모터 드라이브 애플리케이션에서 99% 이상의 인버터 효율을 달성한다. IPM의 높은 집적도를 갖추었고, 높은 효율성으로 별도의 외부 방열판이 필요없기 때문에 솔루션 크기를 최대 55%까지 줄일 수 있다.”고 밝혔다.

그는 또한 현재 시장에서 요구되는 시스템에서는 650V GaN IPM으로 적용이 가능할 것이라고 설명했다. 또한 전류 감지 증폭기, 보호 기능 및 인버터 스테이지를 통합해서 솔루션 크기와 비용을 더욱 절감했다고 밝혔다.

점차 소형화되는 가전제품 트렌드를 지원하는 TI의 DRV7308은 엔지니어가 더 작은 모터 드라이브 시스템을 개발할 수 있도록 돕는다. GaN 기술로 구현된 새로운 IPM은 12mm×12mm 패키지로 높은 전력 밀도를 제공하며 150W~250W 모터 드라이브 애플리케이션을 위한 업계에서 가장 작은 IPM이다.

특히, DRV7308은 높은 효율성으로 별도의 외부 방열판이 필요하지 않아 모터 드라이브 인버터 인쇄 회로 기판(PCB) 크기를 경쟁사 IPM 솔루션 대비 최대 55%까지 줄일 수 있다.

크러샬 샤(Krushal Shah) TI 모터드라이브 부문 시스템 애플리케이션 매니저는 “TI DRV7308 IPM은 업계에서 가장 낮은 데드 타임과 낮은 전파 지연(모두 200ns 미만)을 달성해 가청 잡음과 시스템 진동을 줄이는 더 높은 펄스폭변조(PWM) 스위칭 주파수를 구현한다.”면서, “이와 함께 DRV7308의 높은 전력 효율 및 통합 기능은 모터 발열을 절감해서 안정성을 높이고 시스템 수명을 연장할 수 있게 한다.”고 말했다.