TI의 고도로 통합된 질화 갈륨(GaN) 솔루션은 하이브리드차(HEV) 및 전기차(EV)를 더 빠르게 충전하고 주행거리를 늘려 전기차 보급을 앞당기는 데 기여한다.

HEV/EV 전원 관리 기술의 효율을 높이는 집적회로(IC)가 개발될수록 제조사들은 더 효율적이면서 경제성 뛰어난 자동차를 설계할 수 있으며, 배기가스 배출을 줄이고 환경을 보호할 수 있다.

주행거리에 대한 걱정, 오랜 충전 시간, 찾기 어려운 충전소 등 여러 요인들로 인해 많은 운전자들이 전통적인 자동차에서 하이브리드 전기차나 전기차(HEV/EV)로 전환하는 것을 주저해왔다. 하지만 기술의 발전과 함께 상황이 점차 달라지고 있다.

HEV/EV에 TI의 최신 차량용 질화 갈륨(GaN) 전원 관리 기술을 사용하면 기존의 실리콘 기반 충전 기술을 사용하는 차량 시스템보다 더 빠르게 충전하고, 더 긴 거리를 주행할 수 있어 HEV/EV의 대중적 보급을 가속화할 수 있다. 또한, HEV/EV는 자동차의 배기가스 배출을 줄임으로써 전세계적으로 공기 질을 개선하고 환경을 보호한다.

TI 고전압 전원 사업부 부사장 겸 총괄 책임자 스티브 램바우세스(Steve Lambouses)는 “고객들은 자동차의 무게나 비용을 크게 늘리지 않으면서 전력을 추가할 수 있기를 원한다. 고도로 통합된 TI의 GaN 솔루션을 사용함으로써 차량 엔지니어들은 신뢰할 수 있고, 경제성 뛰어나며, 전력 측면에서 보다 효율적인 충전 시스템을 개발할 수 있다. 이러한 시스템은 진정한 게임 체인저로서 큰 변화를 가져올 것”이라고 말했다.

신뢰할 수 있는 전원 관리 기술

GaN은 범용성이 매우 우수한 반도체 소재로서 높은 온도와 높은 전압에서도 동작할 수 있다. 이러한 이점은 발광 다이오드, 태양광 인버터, 재생 에너지 저장 시스템 같은 전원 관리 애플리케이션에서 특히 중요하다. TI의 GaN 제품들은 지금까지 다양한 통신 및 산업용 설계에 채택되어 왔으며, 매번 새로운 제품을 출시할 때마다 개선된 전력 밀도와 효율을 제공해왔다.

TI는 이제 더 나아가 자동차 시장에서도 GaN의 이점을 활용할 수 있도록 했다. 업계 최초로 전기차 온보드 충전 시스템을 위한 차량용 제품을 내놓은 것이다.

TI의 GaN 제품은 기존 실리콘이나 최신 실리콘 카바이드(SiC) 기술보다 유리한 이점들을 HEV/EV에 제공한다. 실리콘 기술은 충전 시 많은 열을 발생시키고, 낭비되는 에너지가 많으며, 충전 시간이 길다. TI의 GaN 제품은 고속 게이트 드라이버를 통합해서 두 배 높은 전력 출력이 가능해 실리콘 MOSFET보다 전력 밀도가 두 배 높고, 온보드 충전 아키텍처 설계를 최적화한다.

TI의 차량용 배터리 제품 사업 개발을 책임지고 있는 이보 마로코(Ivo Marocco)는 “효율적인 전원 관리를 위해서는 ▲정밀한 충전, ▲안정성이 높은의 고도로 통합된 질화 갈륨(GaN) 솔루션은 하이브리드차(HEV) 및 전기차(EV)를 더 빠르게 충전하고 주행거리를 늘려 전기차 보급을 앞당기는 데 기여한다.

신뢰할 수 있는 전원 관리 기술

GaN은 범용성이 매우 우수한 반도체 소재로서 높은 온도와 높은 전압에서도 동작할 수 있다. 이러한 이점은 발광 다이오드, 태양광 인버터, 재생 에너지 저장 시스템 같은 전원 관리 애플리케이션에서 특히 중요하다. TI의 GaN 제품들은 지금까지 다양한 통신 및 산업용 설계에 채택되어 왔으며, 매번 새로운 제품을 출시할 때마다 개선된 전력 밀도와 효율을 제공해왔다.

TI는 이제 더 나아가 자동차 시장에서도 GaN의 이점을 활용할 수 있도록 했다. 업계 최초로 전기차 온보드 충전 시스템을 위한 차량용 제품을 내놓은 것이다.

TI의 GaN 제품은 기존 실리콘이나 최신 실리콘 카바이드(SiC) 기술보다 유리한 이점들을 HEV/EV에 제공한다. 실리콘 기술은 충전 시 많은 열을 발생시키고, 낭비되는 에너지가 많으며, 충전 시간이 길다. TI의 GaN 제품은 고속 게이트 드라이버를 통합해서 두 배 높은 전력 출력이 가능해 실리콘 MOSFET보다 전력 밀도가 두 배 높고, 온보드 충전 아키텍처 설계를 최적화한다.

TI의 차량용 배터리 제품 사업 개발을 책임지고 있는 이보 마로코(Ivo Marocco)는 “효율적인 전원 관리를 위해서는 ▲정밀한 충전, ▲안정성이 높은 배터리 시스템, ▲경제성 세 가지가 중요하다. 리튬이온 배터리는 자동차 가격의 약 30%를 차지하며, GaN 기반 솔루션은 전력 손실을 50%까지 줄임으로써 효율을 훨씬 높일 수 있다. TI의 GaN 기술은 이러한 모든 요구를 충족한다”고 말했다.

속도, 크기, 신뢰성 향상

소형 휴대용 컨슈머 디바이스와 노트북에서부터 대규모 데이터센터에 이르기까지 모든 분야에서 전원 관리가 갈수록 중요해지고 있다. 전기차도 예외는 아니다. IGBT나 MOSFET 같은 기존의 전력 스위칭 기술은 시간이 지나면서 성능이 크게 향상되기는 했으나, 크기 제약, 열 발생, 스위칭 속도 같은 문제들 때문에 설계자들이 애를 먹어 왔다.

 모든 전원 관리는 스위칭을 통해서 이루어진다. 다시 말해서 전류를 켰다 껐다 하는 것이다. 비효율적인 스위칭은 전력 손실을 야기하고, 이로써 더 크고 무거운 전원 장치를 필요로 하게 된다. 그리고 손실되는 전력을 보상하기 위해서 더 긴 충전 시간이 요구된다. 신속하면서 정밀한 스위칭 기술은 더 매끄럽고 효율적인 에너지 흐름을 만들 수 있고, 결과적으로 시스템 크기와 비용을 감소시킨다.

“GaN은 스위칭 속도가 빨라 효율이 높기 때문에 자동차의 냉각을 위한 요구사항을 완화시킨다. 전원 장치 주변에 위치한 육중한 자기 소자들의 크기를 60%까지 줄일 수 있으므로 시스템 비용을 낮추고 전반적인 전력 밀도를 높일 수 있다. 이로써 궁극적으로 자동차 무게는 줄이고, 주행 거리는 늘릴 수 있다. 이것이 바로 GaN 기반 전원 관리 시스템이 제공할 수 있는 이점”이라고 스티브 램바우세스는 말했다.

전기차 온보드 충전 시스템에 GaN을 사용하면 기존 솔루션보다 최대 두 배 높은 전력 밀도, 빠른 배터리 충전 속도, 향상된 신뢰성, 더 높은 효율성을 달성할 수 있다.

“GaN은 꽤 익숙한 소재로서 그 이점도 널리 잘 알려져 있다. 하지만 이제는 단지 이론에 그치지 않고 실제 자동차 애플리케이션에 GaN 기술을 활용할 수 있게 되었다”고 이보 마로코 책임자는 말했다.

고도로 통합된 GaN 솔루션으로 비용과 전력 절약

TI의 GaN 혁신은 일반적인 스위치를 훨씬 뛰어 넘는 성능을 달성한다. 이러한 혁신으로 탄생한 GaN 기반 온보드 충전 시스템은 HEV/EV의 보급을 가속화한다.

차량용 애플리케이션 분야의 축적된 전문성을 토대로 개발된 TI GaN 온보드 충전 시스템은 고유의 GaN-on-Si FET과 고속 스위칭 2.2MHz 실리콘 게이트 드라이버를 통합했다. 이로써 단일 칩으로 스위치, 컨트롤러, 보호 기능 등 고객들이 필요로 하는 모든 것을 제공한다.

“이것은 마치 두뇌와 근육 모두를 제공하는 것에 비유할 수 있다. 스위치는 근육의 역할을 하고, GaN 디바이스로 통합된 컨트롤러가 지능을 제공함으로써, 개발자가 이 솔루션으로부터 최대의 성능을 끌어낼 수 있도록 한다”고 스티브 램바우세스는 말했다.

GaN 테스트 가이드라인

GaN과 와이드 밴드갭 트랜지스터는 구조나 소재가 실리콘 디바이스와 다르므로, 디바이스의 신뢰할 수 있는 동작이 가능한지 확인하기 위해서는 트랜지스터에 적합한 테스트 가이드라인을 따라야 한다. GaN의 신뢰성을 확인하고, 업계에서 이 기술이 널리 채택되도록 하기 위해서는 테스트 가이드라인을 충실히 따르는 것이 중요하다.

TI는 JEDEC의 JC-70 와이드 밴드갭 전력 전자 변환 반도체 위원회를 공동으로 창립했다. 이 위원회는 엔지니어들에게 견고한 설계를 구현할 수 있도록 유용한 지침을 제공하는 데 목적을 두고 있다. 이 위원회는 최근 GaN 만을 위한 새로운 스위칭 가이드라인으로서 “JEP180: GaN 전력 변환 디바이스의 스위칭 신뢰성 평가 절차에 관한 가이드라인”을 발표했다.

TI의 GaN 기술 혁신 설계자 스테파니 와츠 버틀러(Stephanie Watts Butler)는 “이 새로운 가이드라인은 엔지니어들이 스위칭 동작을 견고하게 평가할 수 있도록 정의하고 있어 업계에서 GaN이 더 널리 채택될 수 있도록 돕는다. 특히, 효율, 전력 밀도, 신뢰성을 무엇보다도 중요하게 요구하는 자동차 및 산업용 시장에 이점을 제공할 것”이라고 전했다.

TI는 GaN 디바이스의 단기적 및 장기적 신뢰성을 검증하기 위해 4,000만 시간의 디바이스 신뢰성 테스트와 약 5기가와트시에 이르는 애플리케이션 내부 테스트를 실시해왔다.

“GaN은 매우 정밀하게 튜닝할 수 있는 스위스 시계와 같다. TI는 신뢰성 테스트를 통해 GaN의 최대 성능을 끌어내는 방법을 알고 있다”고 스티브 램바우세스는 말했다.

안전하고, 스마트한 친환경 자동차

HEV/EV 매출이 연간 약 60%씩 빠르게 증가하고, 2025년에는 전체 자동차 매출의 30%를 차지할 것으로 자동차 업계는 전망하고 있다.1 현재 HEV/EV 차량 대수는 560만 대에 달한다. 또한, 미국에서 현재 약 25,000곳에 달하는 충전소의 개수도 큰 폭으로 증가할 것으로 예상된다.

“TI의 GaN 전원 관리 기술을 통해 ▲짧은 전기차 충전 시간, ▲높은 전력 밀도, ▲향상된 경제성, ▲길어진 주행 거리, ▲높은 신뢰성을 달성할 수 있다. 이로써 HEV/EV 보급을 가로막는 장애들을 제거하고 더 깨끗하고 푸른 지구를 만들도록 기여할 것”이라고 스티브 램바우세스는 말했다.

더 나은 세상을 만들기 위한 거듭된 기술 혁신

TI는 반도체를 통해 더 합리적인 가격의 전자 제품을 만들어서 더 나은 세상을 만들고자 하는 기술적 진보 정신에 준해 모든 전자기기에 반도체가 적용될 수 있도록 보다 높은 신뢰성과 효율성을 제공하는 기술 혁신을 거듭해왔다. HEV/EV 온보드 충전 시스템을 위한 TI의 고도로 통합된 GaN 기술은 TI의 기술혁신의 대표적인 예라고 할 수 있다.

(1) https://www.jpmorgan.com/insights/research/electric-vehicles