ST, 게이트 드라이버 통합형 전력 반도체 ‘MasterGaN7’ 출시… 전원공급장치 초소형·고효율화 선도

650V·6A 질화갈륨 트랜지스터 2개와 하프 브리지 구동 회로 원칩화… 최대 2MHz 고주파 스위칭 지원

글로벌 반도체 기업 ST마이크로일렉트로닉스(STMicroelectronics, 이하 ST)가 질화갈륨(GaN, Gallium Nitride) 전력 트랜지스터와 고전압 게이트 드라이버를 단일 패키지에 통합한 ‘MasterGaN7’을 출시했다. 이번 신제품은 최대 정격 전류 6A의 650V 인핸스먼트 모드(Enhancement-mode) GaN 트랜지스터 2개를 하프 브리지(Half-Bridge) 구조로 결합한 전력 반도체 시스템온패키지(SiP) 제품이다. 전원 어댑터, 고속 충전기, 산업용 조명 제어기, 태양광 마이크로인버터 등의 전원 회로에서 에너지 효율을 극대화하고 부품 크기를 대폭 줄일 수 있도록 돕는다.

게이트 드라이버와 650V 질화갈륨을 하나로 통합한 하프 브리지 설계

기존 실리콘(Si) 기반 전력 트랜지스터는 물리적 한계로 인해 스위칭 속도를 높이는 데 한계가 있었다. 반면 차세대 화합물 반도체인 질화갈륨(GaN)은 전자의 이동 속도가 빨라 전력 손실을 크게 줄이면서 고속 스위칭을 구현한다. 하지만 GaN 소자는 게이트 구동 전압에 매우 민감하여 제어 회로(게이트 드라이버)와 소자 사이의 배선 거리가 멀어지면 기생 인덕턴스(Parasitic Inductance)로 인한 오작동이 발생하기 쉽다.

MasterGaN7은 이러한 문제를 해결하기 위해 고전압·고주파 게이트 드라이버와 2개의 650V GaN 트랜지스터를 하나의 패키지 안에 집적했다. 스위칭 성능을 안정적으로 유지하기 위해 내부 게이트 구동 전압을 일정하게 잡아주는 저손실 선형 레귤레이터(LDO, Low Drop-Out Regulator)도 내장했다. 상단(High-side) 트랜지스터 구동에 필요한 부트스트랩 다이오드(Bootstrap Diode)까지 패키지 내부에 탑재하여 외부 회로 설계를 단순화했다.

또한 대기 상태에서 전력 낭비를 줄이기 위해 전용 핀으로 제어되는 셧다운(Shutdown) 모드를 지원한다. 이 모드는 초고속 웨이크업(Wake-up) 기능을 갖추고 있어 무부하 상태의 전력 소모를 줄이면서도 시스템이 즉각적으로 정상 동작으로 복귀할 수 있도록 한다.

2MHz 초고주파 스위칭과 자재명세서(BOM) 절감 효과

MasterGaN7은 45ns(나노초, 10억분의 1초) 수준의 짧은 신호 전달 지연 시간(Propagation Delay)과 극히 짧은 최소 턴온 시간을 제공한다. 이를 바탕으로 최대 2MHz(메가헤르츠)에 이르는 초고주파 스위칭 동작을 안정적으로 수행한다.

전원 회로의 스위칭 주파수가 높아지면 인덕터, 변압기(트랜스포머)와 같은 자기 소자 및 커패시터(축전기)의 물리적 크기를 획기적으로 줄일 수 있다. 그 결과 전체 전원 모듈의 부피와 두께가 얇아져 전력 밀도가 향상되고, 회로 기판을 구성하는 부품 자재명세서(BOM, Bill of Materials) 비용을 크게 절감한다.

액티브 클램프 플라이백(ACF), 비대칭 하프 브리지(AHB), 공진형 LLC 컨버터, 역률 보정(PFC) 회로 등 다양한 전력 변환 토폴로지를 유연하게 지원한다. 상·하단 트랜지스터가 동시에 켜져 합선 사고가 일어나는 것을 방지하는 인터로킹(Interlocking) 회로를 비롯해 저전압 차단(UVLO), 과열 차단(Thermal Shutdown) 등 다양한 안전 보호 기능을 내장했다.

MasterGaN7은 영하 40°C부터 영상 125°C의 산업용 온도 범위를 충족하며, 기존 MasterGaN 제품군과 핀 배열이 호환되는 9mm x 9mm QFN 패키지로 공급된다. 엔지니어는 함께 제공되는 ‘EVLMG7’ 평가 보드를 활용해 회로 설계를 검증할 수 있다.