전력 반도체, 4차 산업혁명 시대 핵심 소자
전력 밀도 높이고 발열 잡아야 고성능 구현
TI, GaN 기반 전력 반도체 포트폴리오 강화


전력 반도체는 전력을 공급하고 제어하고 변환하는 반도체로, 전자제품의 작동과 성능을 책임지는 핵심 소자다.

최근 4차 산업혁명 시대가 도래하며 5G, AI, IoT, 자율주행차량, 로봇, 태양광 발전 등 전력을 사용하는 첨단 분야가 확대되고 있어 고출력, 고전압을 감당할 수 있는 전력 반도체의 중요성이 더욱 커지고 있다.

아날로그 IC 분야에서 선두를 달리고 있는 텍사스 인스트루먼트(TI)는 올해 들어 전력 반도체 분야에 집중하고 있으며, 전력 밀도를 향상하는 제품군을 지속해서 추가하고 있다. 지난 7월 2일에는 온라인 기자 간담회를 열고 BQ25790 및 BQ25792 벅 부스트 배터리 충전기 IC를 공개하기도 했다.

TI 전력 반도체 부문에서 근무 중인 사무엘 웡(Samuel Wong) 전력 관리 솔루션 제품 매니저, 마크 개리(Mark Gary) BSR 사업부 부사장, 마수드 베히쉬티(Masoud Beheshti) GaN 솔루션 제품 관리 총괄에게 서면으로 TI만의 전력 반도체 로드맵에 관해 물어봤다.

◇ 발열, 낮은 열저항의 고전류 클립 패키지로 극복

전력 반도체 분야에서 상당한 전문성을 가지고 있는 타 회사, 즉 인피니언이나 온세미컨덕터, ST마이크로일렉트로닉스 같은 회사와 비교했을 때 TI의 강점은 무엇이라고 묻자 TI 측은 △설계 유연성 △소형 폼 팩터 △높은 성능 △강력한 견고성을 제공하는 광범위한 기술 포트폴리오라 답했다.

그뿐만 아니라 경쟁력 있는 아날로그 전력 제품을 통해 고객이 △전력 밀도 △낮은 대기 전류 △낮은 EMI △낮은 노이즈 △절연 등과 관련된 설계 문제를 해결할 수 있도록 지원한다고도 밝혔다.

올해 상반기에 TI는 ▲TPS546D24A DC/DC 벅 컨버터 ▲UCC12050/40 절연형 DC/DC 전원 공급 장치 ▲TPSM53604 DC/DC 벅 파워 모듈 ▲BQ25790/92 벅 부스트 배터리 충전기 등의 제품을 출시했다. 출시한 제품 모두 높은 전력 밀도, 낮은 EMI, 낮은 발열을 장점으로 강조했다.

TI 측은 한국 시장에서 UCC12050/40 절연형 DC/DC 전원 공급 장치가 산업 설비, 모터, 기차, 의료 기기, 서버, 통신 플랫폼, 전자 계량기, 항공기 등 전력 밀도와 효율성이 중요한 다양한 최종 장비에 사용되고 있다고 설명했다.

또한, BQ25790/92 벅 부스트 배터리 충전기는 스마트 스피커, 휴대용 의료 기기와 같은 최종 장비에 채택되어 높은 전력 밀도와 빠른 충전 속도 경험을 고객에게 제공하고 있다고 부연했다.

전력 밀도를 높이다 보면 발열 문제가 커질 수밖에 없다. 이를 제어하기 위해 TI 측은 자사 제품들은 PCB에 매우 낮은 열저항을 제공하는 고전류 클립 패키지를 사용한다고 설명했다.

TI의 소스다운(Source-Down) FET 기술은 패키지의 IC 하단에 큰 단일 접지 패드만 사용할 수 있어 열저항이 낮다. Rds(on)이 낮은 통합 MOSFET은 패키지 내부에서 더 적은 에너지를 소모한다. 그러면서 TI의 발열 억제 기술이 반영된 TPS546D24A DC/DC 벅 컨버터는 우수한 안전 동작 영역(Safe Operating Area; SOA) 성능을 가진다고 밝혔다.

◇ GaN 소자, 100% 자체 개발로 가격 경쟁력 확보

전력 반도체 소재로는 1960년대부터 실리콘(규소; Si)이 주로 사용됐다. 그러나 스위칭 손실 및 속도, 내구성의 문제 등으로 최근의 요구사항을 충족하지 못하고 있다.

실리콘의 한계를 뛰어넘는 새로운 반도체 소재의 필요성이 커지는 가운데 실리콘카바이드(탄화규소; SiC), 갈륨나이트라이드(질화갈륨; GaN)를 채택한 전력 반도체 소자가 속속 시장에서 자리를 잡아가고 있다.

TI의 차세대 전력 반도체 로드맵을 보면 SiC보다 GaN의 비중이 더 크다. TI 측은 GaN을 AC/DC 전원 장치와 모터 드라이브부터 그리드 인프라, 차량 충전에 이르기까지 여러 가지 애플리케이션에 활용하고 있다.

또한, 다양한 애플리케이션에서 TI의 GaN 소자는 99%의 효율과 최대 300%의 높은 전력 밀도를 제공하여 강제 냉각 기능을 필요로 하지 않는다고 강조했다.

고객 관점에서 GaN과 같은 차세대 반도체는 비싼 가격으로 인해 채택하기 쉽지 않다. GaN 소자의 가격 경쟁력을 높이기 위해 TI는 관련 팹을 어느 정도 구축했고, 또 얼마나 확장할 것인지 물었다.

이에 TI는 GaN 프로세스와 신뢰성 테스트부터 드라이버 개발과 패키징 기술에 이르기까지 100% 내부적으로 자체 개발된 GaN 소자를 제공하기 위해 노력하고 있다고 밝혔다. 내부 표준을 통해 고품질 및 고성능 디바이스의 비용을 낮춘다는 것이다.

GaN, SiC 외에도 차세대 반도체 소재로 GaAs, InP, GaP, CdS, ZnTe, PbS 등이 거론되는 가운데 TI 측은 향후 제품 개발에 대한 계획을 말할 순 없으나 개발자들의 전원 설계 문제를 해결할 수 있는 디바이스를 제공하기 위해 노력하고 있다고 밝혔다.

◇ 전원 설계 엔지니어가 당면한 과제 해결 도울 것

최근 국내에선 메모리 반도체 이외의 반도체 분야를 육성해야 한다는 목소리가 높아지면서 기업들도 시스템 및 전력 반도체 분야에 집중하고 있다.

TI 측은 전자제품의 소형화와 시스템 요구사항 증가 추세로 인해 오늘날 전원 장치를 설계하는 개발자들은 다양한 과제에 직면해있다면서, 최신 전원 관리 솔루션은 작고, 효율적이며, 안정적이어야 한다고 말했다.

그러면서 TI 전력 반도체는 높은 전력 밀도 및 통합성, 낮은 EMI 및 대기 전류, 향상된 절연 등 주요 전력 관리 트렌드를 충족하며 설계 문제를 해결할 수 있도록 지원한다고 강조했다.

전력 반도체 시장에서 향후 달성하고자 하는 목표가 무엇인지 묻자 TI 측은 “수십 년간 축적된 기술 전문성과 30,000개 이상의 전력 IC 제품으로 구성된 포트폴리오를 기반으로 TI는 설계자들의 다양한 설계 요구사항을 해결하기 위해 노력하고 있다”라고 말했다.

또한, “앞서 언급한 오늘날의 전원 설계 요구사항을 개발자들이 충족할 수 있도록 뛰어난 성능의 제품, 편리한 디자인 툴, 기술적인 참고자료, 고객 지원 서비스를 지원하여 제품 출시 기간 단축에 기여하고 싶다”라고 밝혔다.