[기고]LTspice 시뮬레이션에서 GaN FET 모델 사용하기

글_ 제임스 스탤리(James R. Staley)
전원 제품 애플리케이션 담당 선임 매니저, 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)

LTspice^®는 아나로그디바이스(Analog Devices)의 강력한 시간 기반 구간 선형 회로 모델 시뮬레이션 툴이다. 이 툴에는 많은 디스크리트 부품 라이브러리가 포함되어 있지만, ADI에서 다운로드할 때 기본 제공되는 라이브러리에 모든 부품이 포함되어 있는 것은 아니다. 예컨대 질화갈륨(GaN) FET 같은 것들이다. 전력 컨트롤러 설계에서, GaN FET는 종종 스위치로 사용된다. 시뮬레이션 파일에 임베디드 모델 구문(embedded model statement)을 포함하여, 협업자들은 필요한 디바이스 모델에 쉽게 접근할 수 있다. 이는 협업과 설계 공유를 간소화할 수 있다. 이 글에서는 어떤 LTspice 시뮬레이션 파일에서도 서로 다른 GaN 디바이스 유형들을 비교할 수 있게 해주는, 간단하고 독립적이며 완전히 이식 가능한 방식을 소개한다.

머리말

최근 몇 년 사이 산업용 전력 시장에서는 GaN(gallium nitride) FET나 SiC(silicon carbide) FET 같은 와이드 밴드갭 디바이스에 대한 관심이 증가했다. GaN 디바이스는 전하 특성이 극적으로 감소하기 때문에, 더 높은 스위칭 주파수에서 높은 전력 밀도를 제공하여 동일한 조건에서 동작하는 MOSFET에 엄청난 열 손실을 초래할 수 있다. 이러한 조건에서는 MOSFET을 병렬로 연결하는 방식이 보드 면적을 절약하거나 효율을 높이는 선택지가 되지 않기 때문에, GaN FET가 매력적인 기술이 된다. 이러한 GaN FET 디바이스의 성능에 대한 관심이 높아지면서, 다양한 GaN 디바이스를 정확하게 시뮬레이션하여 애플리케이션 성능을 최적화해야 할 필요성이 대두되었다. LTspice에는 GaN FET 구동에 최적화된 아나로그디바이스(ADI)의 최신 DC-DC 컨트롤러 IC 모델이 포함되어 있다. 이를 통해 설계 엔지니어는 특정 애플리케이션에 가장 적합한 GaN FET을 결정하고, 최상의 성능을 위한 다양한 조합을 시험해볼 수 있다.

LTspice를 활용한 시뮬레이션

사용자들이 흔히 경험하는 고충 중 하나는 여러 공급회사로부터 제공되는 제품들 중에서 사용자가 취할 수 있는 선택지가 소프트웨어의 기본 부품 라이브러리 업데이트 속도보다 빠르게 변할 때, 어떠한 FET 디바이스를 선택해야 하는가이다. 이럴 때 사용자는 사용자 정의 심볼과 디바이스의 라이브러리를 직접 관리해야 하는 상황에 놓이게 된다. 이러한 작업은 사용자가 특정 애플리케이션에 이상적인 솔루션을 찾는데 집중하지 못하고, 소모적인 일에 시간을 쏟게 만든다. 또한, 설계팀 내 모든 팀원들이 동일한 부품 라이브러리를 동기화하지 않았다면, 협업 역시 방해를 받게 된다.

GaN FET 디바이스 기반의 이러한 이식 가능한(portable) 회로 예제는 현재 analog.com의 제품 랜딩 페이지에서 제공되고 있다. 그림 1에서 볼 수 있듯이, LTC7891은 EPC2218 GaN FET 2개를 사용하여 12V, 240W 구동이 가능하도록 설정되어 있다. 이 시뮬레이션에 사용된 GaN FET은 서브서킷 모델로 참조되기 때문에, 이 파일은 독립적(self-contained)이며 이식 가능하다는 특징을 갖는다. 사용된 심볼은 LTspice 설치 시 항상 포함되어 있는 표준 NMOS 타입 심볼이며, 각 심볼은 동일한 모델명을 사용하는 ‘.sub’ 지시문을 가리키도록 설정되어 있다.

만일, 설계 엔지니어가 다른 모델을 평가하고자 할 경우, 절차는 간단하며, 해당 LTspice 파일은 처음 다운로드했을 때와 마찬가지로 다른 팀원들이 그대로 평가할 수 있을 정도로 이식 가능성을 그대로 유지한다. 추가적인 디바이스를 배치하는 경우에도 절차는 동일하다. 우선 시작하려면, 공급회사에서 제공하는 모델 라이브러리 파일이 필요하며, 이 파일로부터 모델 데이터를 추출해야 한다. 사용자가 손쉽게 참조할 수 있도록, 이 웹 링크는 전력 제품 랜딩 페이지에서 제공되는 모든 예제 회로에 포함되어 있다.

그림 2는 EPC2218A 공급회사가 제공하는 디바이스 모델 목록 예시를 보여준다. 이 절차를 설명하는 데에는, EPC2218A 디바이스가 예제로 선택됐다. 대부분의 공급회사가 제공하는 다운로드 파일에는 일반적으로 여러 파일들이 포함되어 있다. 또한, 여기에는 심볼 파일과 예제 파일도 포함되어 있는데, 우리가 관심을 갖는 것은 라이브러리 파일이다(그림 3). 이 라이브러리 파일을 열면, 곧바로 기본 설정된 라이브러리 인스톨러가 뜨는데, 이는 권장되는 방식이 아니다. 목표는 로컬 라이브러리에 더 많은 부품 심볼들과 디바이스들을 추가해 놓고 나중에 그것들을 관리해야 하는 상황을 만들지 않는 것이다. 대신, 우리는 라이브러리 파일에 포함된 데이터를 직접 사용할 것이다. 이를 위해 기본 텍스트 편집기 도구(노트패드 등)를 사용하여 이 파일을 열면, 라이브러리 설치 과정을 거치지 않고도 필요한 데이터를 직접 확인하고 사용할 수 있다.

이 라이브러리 파일에는 모두 ‘.subckt [model name]…’으로 시작해서 ‘.ends’로 끝나는 서브서킷 텍스트 모델이 길게 나열되어 있다. 사용자 시스템에 있는 기본 찾기 기능을 사용하여, SPICE 회로에 삽입하고자 하는 모델을 찾아 .subckt에서 .ends까지의 모든 내용을 복사한다. 편집기에서 .sp SPICE 구문 상자를 열어 해당 내용을 그 상자에 붙여 넣는다. 붙여 넣은 텍스트의 크기를 줄이면 전체 도면 공간에서 눈에 덜 띄게 되여 유용한 경우가 많다. 이미 도면 공간에 있는 표준 NMOS 심볼을 배치하거나 편집하여 붙여 넣은 서브서킷 모델 텍스트와 연결한다.

이를 수행하려면, Control 키를 누른 상태에서 NMOS 심볼을 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭한다. 그러면 그림 4와 같이 속성 테이블이 나타나는데, 이제 몇 가지 주요 속성을 변경해야 한다. 먼저, Prefix 속성을 x로 변경해야 한다. 이렇게 하면 LTspice는 로컬에서 모델을 찾게 되고, 원하는 이름의 .subckt 호출을 대신 사용하게 된다. 다음으로, Value 속성을 붙여 넣은 텍스트의 첫 줄에 있는 .subckt 뒤의 모델명과 정확히 일치하도록 변경한다. InstName 속성은 사용자가 원하는 대로 (Q, G 등) 선택적으로 변경할 수 있다. 기본값은 NM이지만, 이들은 이제 GaN 디바이스로 설정되므로 NMOS FET가 아니다.

시뮬레이션 검증의 중요성

모델을 SPICE 파일 내에서 완전히 작동 가능하게 만들기 위한 마지막 세부 사항은, 붙여 넣은 모델 텍스트의 네트(net) 순서 규칙이 LTspice에 포함된 표준 NMOS 디바이스의 순서와 일치하는지를 확인하는 것이다. 표준 NMOS 모델은 NMOS 디바이스의 핀 번호에 대한 규칙으로 Drainin, Gatein, Sourcein 순서를 따른다. 일부 GaN 공급회사가 제공하는 모델은 포함된 심볼 및 모델과 함께 이 순서가 다를 수 있다. 예를 들어, Innoscience는 Gate, Drain, Source 순서를 사용하고, EPC는 Gatein, Drainin, Sourcein 순서를 사용한다. 공급회사가 이름이나 네트 순서를 어떻게 나열하느냐와는 상관없이, 붙여 넣은 텍스트의 순서를 Drainin, Gatein, Sourcein 규칙에 맞게 단순히 재정렬함으로써 LTspice 규칙과 일치하도록 만들 수 있다.

여기에서 설명된 서브서킷 삽입 방식은 어떠한 심볼, 디바이스 또는 모델 라이브러리도 사용하지 않기 때문에, 일치하도록 재정렬하는 것은 더 이상 문제가 되지 않는다. 설령, 로컬 설치가 동일한 디바이스의 기본 또는 수정된 라이브러리를 가지고 있더라도, 이 파일은 어떤 LTspice 사본에서도 공유 및 열기가 가능하다. 모든 수정 작업의 마지막 단계는 모델이 의도한 대로 제대로 작동하는지를 확인하는 것이다. 완성된 시뮬레이션 파일을 실행한 후, 게이트 및 스위치 파형을 관찰하여 시뮬레이션을 검증하고 실제 측정 파형과 비교할 수 있는 기준(benchmark)을 마련한다.

모델이 아무리 정확하더라도, 시뮬레이션은 시간을 절약하고, 비용이 많이 드는 실수를 방지하며, 실제 하드웨어가 어떻게 작동하는지에 대한 통찰을 제공하는 도구일 뿐이라는 점을 기억해야 한다. 작동 중인 하드웨어에서 데이터를 수집하는 것이 시뮬레이션 결과를 최종적으로 검증하는 유일한 방법이다. LTC7891에 대한 평가 보드(그림 5)의 결과를 스위치 상승 및 하강을 위한 평가 SPICE 시뮬레이션(그림 6)과 비교할 것을 권장한다. 전반적인 데드타임은 상당히 정확하지만, 실제 하드웨어와 측정 도구의 기생 성분은 시뮬레이션에 포함되어 있지 않다.

바로 이것이 시뮬레이션으로 시작하고 벤치 평가로 마무리하는 것이 중요한 이유다. 게이트 저항은 PCB 트레이스에 의해 생성되는 기생 성분에 대한 정확한 모델 없이는 LTspice에서 최적화할 수 없다. 이 작업은 설계를 완성하기 위해 실제 하드웨어에서의 정밀한 측정 기법을 통해서만 이루어질 수 있다. GaN 모델을 가져오는 것이 이 과정의 첫 번째 단계다.

결론

어떤 부품 제조사가 공급하는 제품이든 간에, 이 글에서 제안된 방법을 사용하면 LTspice에서 GaN 디바이스 모델을 사용하는 과정은 간단하며, 라이브러리 관리의 번거로움을 피할 수 있다. 이 방법을 통해 회로 설계 엔지니어는 심볼, 디바이스, 라이브러리 관리에 따르는 고충을 경험하는 대신, 디바이스의 정확한 시뮬레이션에 집중할 수 있게 된다. 이 방식으로 생성된 파일은 누구나 LTspice에서 반복적으로 사용하거나 공유할 수 있으며, GaN 기반 전력 변환 설계 개념을 검증하는 것이 최종 사용자의 초점이 되고 있다.

저자 소개

제임스 스탤리(James R. Staley)는 아나로그디바이스(Analog Devices)의 전원 제품 애플리케이션 담당 선임 매니저이다. 그는 노스캐롤라이나 주립대학교에서 나노기술학 학사 학위를 받고, 에타 카파 누(Eta Kappa Nu, HKN) 회원이 되었다. 반도체 업계에서 20년 이상의 경력을 쌓아왔으며, 리니어 테크놀로지(Linear Technology) 및 ADI에서 애플리케이션 엔지니어링, 세일즈 애플리케이션 엔지니어링, 시스템 엔지니어링 등의 직책을 역임했다. 현재는 산업용 및 정밀 계측 전력 시스템에 주력하고 있으며, 가족과 함께 노스캐롤라이나 랠리 지역에 거주하고 있다.