GaN을 기반으로 한 고주파 벅 변환기 설계

Abstract

자동차 전기/전자부품에 사용되는 전력반도체(PMIC)는 현재 실리콘 기반 스위치로는 한계점에 다다르고 있다. Gallium nitride(GaN) 소자는 실리콘 기반 소자와 비교하여 높은 전력 밀도를 가지고 있어 소형화 및 경량화에 용이하며, 낮은 스위칭 손실과 온-저항 손실이 낮아서 고주파수 동작의 스위칭 컨버터의 파워 트랜지스터로서 적합하다. 따라서 전기자동차에 적용하면 경량화, 변환 효율 향상, 전용 냉각 시스템 제거 등의 효과를 기대할 수 있어 차세대 전력반도체로 각광받고 있다. 그러나 기존 실리콘 소자와는 다른 구조적인 특징이 있어 스위치로 사용하기 위해서 추가적인 회로 설계가 필요하다. 본 논문은 스위칭 주파수 10MHz에서 동작하는 GaN-based 벅 컨버터에 관한 것이다. Body diode가 없는 특징때문에 데드타임에서 큰 과도전압이 걸리는 문제점을 보안하기 위해 bootstrap(BST)노드의 전압을 안정화시키는 블록이 추가되었고 pulse 구동방식으로 동작하는 level shifter를 사용해 대기전류를 줄여 효율을 높였다. 또한 10MHz의 고주파수에서 동작하여 0.47uH의 작은 인덕터를 사용하였다. 0.18um high voltage BCDMOS 공정을 이용하여 제작되었고 입력전압은 12V, 출력전압은 5V이다. 설계된 면적은 2500μm × 2500μm이며 최대 부하전류는 1A이다. |Power management integrated circuit (PMIC) of automotive electrical/electronic components are currently reaching limitations with silicon-based switches. Since the Gallium nitride (GaN) device has a higher power density than the silicon-based TR, it is easy to reduce the size and weight, and is suitable as a power transistor of a switching converter with high frequency operation due to low switching loss and onresistance loss. Therefore, it is attracting attention as a next-generation power semiconductor device as it can expect effects such as lightening, improving conversion efficiency, and removing dedicated cooling systems when applied to electric vehicles. However, it has structural features different from existing silicon devices, so additional circuit design is required to use it as a switch. This paper relates to a GaN-based buck converter operating at a switching frequency of 10MHz. In order to secure the problem of large overvoltage at deadtime due to the absence of a body diode, a block that stabilizes the voltage of the bootstrap (BST) node was added, and the standby current was reduced by using a pulse-driven level shifter. In addition, it operated at a high frequency of 10MHz and used a small inductor of 0.47uH. It was manufactured using the 0.18 high voltage BCDMOS process, and the input voltage is 12V and the output voltage is 5V. The designed area is 2500 × 2500, and the maximum load current is 1A.