와이드 밴드갭 반도체의 우수성
클라우드 기반 인터넷 서비스, 인공지능, 암호화폐 같은 기술이 부상하면서 데이터센터의 처리 성능에 대한 요구가 크게 증가하고 있다.
거기에 전기 요금이 인상되고 부동산 비용이 증가함에 따라 데이터 센터의 전반적인 비용을 낮추기 위해 고도로 효율적이면서 콤팩트한 서버 전원장치가 필요하게 됐다. 이러한 새로운 전원장치를 사용해 서버의 전력 소비를 낮출 뿐 아니라 동시에 열 발생을 줄임으로써 냉각에 필요로 하는 이차 비용을 줄인다.
이 글에서는 와이드 밴드갭 반도체가 실리콘(Si) 기술과 비교해 성능 상으로 어떻게 유리하고 서버 전원장치에 WBG를 어떻게 활용할 수 있는지 설명한다. 최적화 결과를 통해 WBG 기반 전력 디바이스를 채택한 디자인이 효율과 전력 밀도 면에서 어떻게 더 우수한지 설명한다.
WBG와 Si 기술 비교
WBG 반도체는 훨씬 더 우수한 FOM(figure of merit)을 제공한다. 그렇다면 WBG 반도체를 채택한 시스템 솔루션이 전력 밀도와 효율 면에서 얼마나 더 우수할까?
이 질문에 대답하기 위해서는 먼저 WBG 반도체의 기본적인 특성을 이해하는 것이 필요하다. SiC와 GaN의 가장 큰 특징은 역회복 전하가 거의 제로이거나(GaN) 매우 낮다는(SiC) 것이다. 이러한 특성이 WBG 디바이스를 토템폴 PFC 같은 하드 스위칭 토폴로지에 활용하도록 한다.
또한, 이들 각각의 기술은 온도에 따라 온 상태 저항(RDS(on))이 변화되는 것이 다르다(그림 1). 인피니언의 CoolSiC 같은 SiC 기술이 온도에 따른 RDS(on)이 증가가 가장 낮다. 그러므로 토템폴 PFC 스테이지 같은 하드 스위칭 토폴로지의 고전류 애플리케이션에 가장 적합한 선택이다.
Si와 비교했을 때 WBG 디바이스의 또 다른 차별점은 주어진 동작 전압으로 출력 전하 QOSS가 낮다는 것이다(그림 2). GaN 기술인 CoolGaN이 전하 양이 가장 낮고, 뒤이어 CoolSiC 기술과 Si 기반 기술인 CoolMOS 수퍼정션 MOSFET 순이다. 여기에다 GaN은 게이트 전하가 극히 낮다는 점까지 더함으로써(그림 3), CoolGaN 기술은 고주파수로 동작하는 LLC 토폴로지 같은 소프트 스위칭 토폴로지에 적합하다.
서버 전원장치 PFC 및 LLC 스테이지에서의 WBG 반도체 성능 이점
최첨단 고효율 전원장치는 브리지리스 PFC 스테이지(토템폴 스테이지)와 공진 DC-DC 스테이지(LLC 컨버터)로 구성된다(그림 4). 12V 출력 전압으로는 센터 탭 트랜스포머를 주로 사용하며, 48V 시스템으로는 풀 브리지 정류를 사용할 수 있다. 표 1은 이 글에서 설명하는 서버 전원장치 예의 사양을 보여준다.
| Parameter | Variable | Value |
| Input voltage | Vin | 180~277V |
| Output voltage | Vout | 48V |
| Rated power | Pout | 3kW |
| Hold-up time | Thold | 10ms |
PFC 스테이지에 WBG 활용 - 실감할 수 있는 차이
파레토 최적 기법을 적용해 각기 다른 반도체 기술로 효율과 전력 밀도 사이에 절충적으로 달성 가능한 성능을 수치화할 수 있다. 이 기법을 적용해 각기 다른 컨버터 시스템 디자인으로 모든 가능한 자유도를 체계적으로 고려한다. 상세한 시스템 및 부품 모델을 적용해 파레토 프론트 상에 자리 잡은 최적 디자인을 구할 수 있다.
먼저 DC-DC 스테이지는 놔두고 PFC 스테이지를 개별적으로 최적화했다. 그림 5에서는 Si, SiC, GaN으로 최적화 결과를 보여준다. 효율은 정격 출력 전력의 50%로 계산된 것이며, EMI 필터, 자기 소자, 반도체, DC 링크 커패시터를 비롯해 전체적인 PFC 스테이지 손실을 포함한다. 모든 반도체 기술로 토템폴을 선택했다.
다만 GaN과 SiC 디자인은 연속 전도 모드(CCM)와 고정 스위칭 주파수로 동작하고, Si 디자인은 삼각 전도 모드(TCM)로 동작했다. 이 때문에 Si 디자인은 변동적인 스위칭 주파수와 더 높은 전류 리플로 인해서 제어가 좀 더 복잡해진다.
결과를 보면, 모든 기술이 99% 이상의 효율을 달성한다는 것을 알 수 있다. GaN과 SiC 디자인은 100W/in3으로 약 99.2%에 이르는 효율을 달성하고, 그 뒤를 따라서 Si 디자인은 이 전력 밀도로 99% 효율을 달성한다. SiC가 RDS(on)이 온도에 따른 종속성이 더 낮고 구동이 단순하다는 점에서 PFC 스테이지에 사용하기에 가장 훌륭한 선택이라고 할 수 있다. 다만 극히 높은 전력 밀도를 위해서는 GaN을 선택해야 한다.
그 다음에는 두 번째 변환 스테이지인 LLC 스테이지에 파레토 최적 기법을 적용했다. 일차 측은 Si, SiC, GaN으로 각기 달리 하면서 이차 측은 셋 다 Si 동기 정류기를 사용했다. 또 네 번째 디자인으로는 일차 측과 이차 측 모두에 GaN을 적용하고 100V GaN 디바이스를 사용했다(조만간 출시 예정인 CoolGaN 100/200V 와이드 밴드갭 기술).
그림 6에서 보듯이, 일차 측에 GaN 또는 SiC를 선택하면 양쪽 다 Si를 사용한 것에 비해서 전력 밀도에 따라서 효율이 0.2에서 0.3% 포인트 더 우수하다는 것을 알 수 있다. 전력 밀도가 높은 쪽에서는 GaN과 SiC 디자인 사이에 차이가 약간 벌어진다. 이 구간에서는 스위칭 주파수가 높다.
양쪽 다 GaN을 사용한 디자인은 일차 측에만 GaN을 사용한 디자인에 비해 0.2~0.3% 포인트의 추가적인 효율 향상을 이룬다. 이뿐 아니라 양쪽 다 GaN을 사용한 디자인은 최대 전력 밀도가 GaN과 Si 동기 정류기를 사용한 디자인에 비해서 약 10% 더 높다.
이것은 100V GaN 디바이스의 전하가 Si 디바이스에 비해서 상당히 낮기 때문이다. 그러므로 이차 측의 극성을 바꾸기 위해 더 적은 전류를 필요로 하고, 더 낮은 순환 전류로 더 소형화된 공진 탱크를 설계하도록 한다.
SiC 및 GaN 반도체를 최적으로 사용한 서버 전원장치로 달성 가능한 성능
PFC와 LLC로부터의 결과를 토대로 전체적인 서버 전원 시스템으로 파레토 최적을 계산했다. PFC에는 SiC 디바이스를 사용하고, LLC로는 일차 측에 고전압(HV) CoolGaN 디바이스와 이차 측에 중간 전압(MV) CoolGaN 디바이스를 사용했다. 그림 7은 이 최적화 결과로서, 중간적인 전력 밀도(약 40W/in3)로 98.5%에 가까운 효율을 달성한다는 것을 알 수 있다. 80W/in3 이상의 전력 밀도로는 98% 효율을 달성한다.
맺음말
이 글에서는 애플리케이션 분석을 통해 첨단 서버 전원장치에서 Si에 비해 SiC와 GaN 같은 와이드 밴드갭 기술이 어떻게 효율과 전력 밀도 측면에서 성능을 한층 더 끌어올리도록 하는지 살펴봤다. 48V 시스템용으로 전체적인 서버 전원장치 디자인으로 98.5% 효율을 달성하거나, 다르게는 80W/in3 이상의 전력 밀도를 달성할 수 있다는 것을 확인했다.
이에 OPEX와 CAPEX 비용을 크게 줄일 수 있도록 한다. 아울러 인피니언의 CoolSiC과 CoolGaN이 하드 스위칭이 가능하므로 PFC 스테이지에서 CCM 변조 같이 보다 단순한 제어를 사용할 수 있다는 점을 설명했다. 또한, LLC 스테이지의 동기 정류로 MV GaN 디바이스의 성능 이점을 소개했다.
헬로티 서재창 기자 |
