질화 갈륨은 더 높은 전력 밀도와 에너지 효율을 필요로 하는 응용 분야의 목록에서 실리콘을 대체하고 있다.
상시 연결의 핵심인 많은 데이터 센터는 에너지 효율성과 전력 밀도를 향상시킬 수 있는 점점 더 대중화되고 있는 반도체 기술에 의존하고 있다.
이 질화 갈륨(또는 GaN) 기술은 전력 밀도, 에너지 효율, 더 높은 스위칭 주파수, 열 관리 개선 및 크기가 작은 전원 공급 장치를 필요로 하는 고전압 애플리케이션의 증가하는 목록에 사용되는 넓은 갭 반도체 재료다. 데이터 센터 외에도 이러한 애플리케이션에는 HVAC 시스템, 텔레콤 전원 공급 장치, 태양광 인버터 및 노트북 컴퓨터를 충전하는 전원 공급 장치가 포함된다.
데이비드 스눅 (David Snook) TI GaN 제품군 총괄 매니저는 "질화 갈륨은 전력 밀도를 개선하고 여러 애플리케이션에 걸쳐 전력 시스템과 전원 공급 장치의 효율성을 높이는 데 있어 중요한 단계다."며, “설계에 GaN을 사용하는 회사의 수는 빠르게 증가하고 있다. 이는 전력 소비를 줄이고 효율성을 높이는 데 중요하다.”고 말했다.
실리콘은 60여 년 동안 교류(AC)를 직류(DC)로 변환하고 DC 전압 입력을 휴대폰에서 산업용 로봇에 이르기까지 모든 요구에 맞게 변환하는 반도체 전력 관리 구성 요소의 기반이 되어 왔다. 이러한 구성 요소를 정제하고 최적화했음에도 물리학을 이겨낼 수는 없었다. 오늘날 실리콘은 크기를 키우지 않고는 더 많은 전력을 공급하는 데 필요한 주파수로 작동할 수 없다.
결과적으로, 많은 회로 설계자들은 더 작은 공간에 더 많은 전력을 채워 넣기 위해 지난 10년간 GaN에 의존해 왔다. 많은 설계자들이 이 기술의 미래 혁신을 위한 잠재력에 대해 흥분하는 세 가지 이유는 다음과 같다.
이유 1: 우리 삶의 일부인 GaN
GaN은 실리콘에 비해 반도체에 있어서는 비교적 새로운 물질이지만, 수년간 개발되어 왔으며 신뢰성이 확립되어 있다. TI의 GaN 칩은 4천만 시간 이상의 신뢰성 테스트를 달성했다. 또한 데이터 센터와 같은 까다로운 애플리케이션에서도 그 효과는 분명하다.
데이비드 총괄 매니저는 "인공지능, 클라우드 컴퓨팅 및 산업 자동화와 같은 애플리케이션에 대해 소비자와 기업이 필요로 하는 데이터 양이 증가함에 따라 데이터 센터에 대한 필요성이 전 세계적으로 증가하고 있다."며, "GaN은 에너지 소비를 과도하게 증가시키지 않으면서 데이터 센터가 온라인 상태가 될 수 있도록 보다 효율적인 서버 전원 공급을 가능하게 하는 핵심 기술이다." 라고 말했다.
이유 2: GaN을 사용하여 시스템 수준 설계의 비용 절감
현재로서는 GaN이 칩 간 비교에서 실리콘보다 더 비싸지만 GaN이 제공하는 전반적인 시스템 비용, 효율성 및 전력 밀도 개선의 이점은 초기 투자를 능가한다. 예를 들어, GaN 기반 전력 관리 시스템을 사용하는 100메가와트 데이터 센터에서 고작 0.8%의 효율성 향상으로도 10년 동안 700만 달러의 에너지 비용을 절감할 수 있다. 이는 8만 가구 또는 작은 도시 크기의 연간 에너지 사용에 해당하는 수치이다.
로버트 테일러(Robert Taylor) TI 전력 설계 서비스 그룹의 총괄 매니저는 "GaN 기술은 더 높은 빈도로 작동하여 BOM 비용을 절감할 수 있는 일부 토폴로지와 아키텍처를 가능하게 하며 이 높은 빈도로 인해 엔지니어는 설계의 다른 구성 요소에 대해 더 작은 옵션을 선택할 수 있다."며, "또한 GaN은 엔지니어들에게 실리콘 칩에서는 사용할 수 없는 토폴로지를 사용하여 전력 설계를 최적화하는 유연성을 제공할 수 있다." 고 말했다.
이유 3: 통합은 성능과 사용 편의성 개선
GaN FET에는 전문 게이트 드라이버가 필요하며, 이는 추가적인 시간과 설계 노력을 의미할 수 있다. 그러나 TI는 칩에 게이트 드라이버와 여러 보호 기능을 통합하여 GaN 설계를 간소화한다.
데이비드 총괄 매니저는 "드라이버를 통합하면 성능이 향상되고 전력 밀도가 높아지고 스위칭 속도가 빨라져 효율성이 향상되고 전체 시스템 크기가 줄어든다." 며, "통합을 통해 설계자는 엄청난 성능 이점을 제공하고 GaN으로 훨씬 쉽게 설계할 수 있게 되어 기술의 이점을 최대한 활용할 수 있다." 고 말했다.
성능 이점
데이비드 총괄 매니저는 "고객들은 데이터 센터를 위한 5킬로와트 토템폴 역률 보정 설계와 같은 레퍼런스 설계에서 GaN의 성능 이점이 입증된 것을 볼 때 흥분합니다."며, "동일한 설치 공간에서 더 작은 솔루션 크기 또는 더 높은 전력 레벨로 더 높은 효율성을 달성할 수 있다는 사실을 알게 되면 GaN을 고려하게 된다." 라고 말했다.
예를 들어, 모듈식 주택용 에어컨 장치를 제조하는 일부 회사는 GaN으로 설계하여 전원 공급 효율을 최대 5%까지 개선했다.
로버트 매니저는 "에어컨 한 대가 얼마나 많은 전력을 소비하는지를 고려하면 그것은 엄청난 일이다." 며, "효율성을 5% 개선하면 상당한 비용을 절감할 수 있다. GaN 디바이스로 이를 실현할 수 있다는 것은 매우 멋진 일이다." 라고 말했다.
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