업계 최고 8V 게이트 내압 150V GaN HEMT 양산 체제 확립
EcoGaNTM 제1탄 「GNE10xxTB 시리즈」
기지국 · 데이터 센터 등의 저소비전력화 및 소형화에 기여

 

2022년 3월 23일
※2022년 3월 23일 현재 로옴 조사

<개요>

DFN5060

로옴 주식회사 (본사 : 교토)는 기지국 · 데이터 센터를 비롯한 산업기기 및 각종 IoT 통신기기의 전원 회로용으로, 업계 최고 8V까지 게이트 내압 (게이트 – 소스 정격전압)※1을 높인 150V 내압 GaN HEMT※2GNE10xxTB 시리즈 (GNE1040TB)」의 양산 체제를 확립하였습니다.
일반적으로 GaN 디바이스는 저 ON 저항과 고속 스위칭 성능이 뛰어나, 각종 전원의 저소비전력화 및 주변 부품의 소형화에 기여하는 디바이스로서 활용이 기대되고 있지만, 게이트 내압이 낮아 스위칭 시의 디바이스 신뢰성에 과제가 있었습니다.
본 신제품은 이러한 과제에 대응하여, 독자적인 구조를 통해 게이트 – 소스 정격전압을 일반적인 6V에서 8V까지 높이는데 성공하였습니다. 이에 따라, 스위칭 시에 6V를 초과하는 오버슈트 전압※3이 발생하더라도 디바이스가 열화되지 않으므로, 전원 회로의 설계 마진 향상 및 고신뢰화에 기여합니다. 또한, 대전류 대응 및 방열성이 우수하고 범용성이 높은 패키지로 제품화를 함으로써, 실장 공정에서의 핸들링이 용이합니다.
신제품은 2022년 3월부터 양산 체제를 확립하였으며, 생산 거점은 전공정 로옴 하마마츠 주식회사 (하마마츠), 후공정 로옴 주식회사 (교토)입니다.
로옴은 저전력 · 소형화에 기여하는 GaN 디바이스를 「EcoGaNTM」으로 라인업하고, 디바이스 성능을 더욱 향상시키기 위해 노력하고 있습니다. 향후, 「Nano Pulse ControlTM※4 등 아날로그 전원 기술을 활용한 제어 IC 및 이러한 기술을 탑재한 모듈 개발을 추진하여 GaN 디바이스가 지닌 성능을 최대화시키는 파워 솔루션을 제공함으로써 지속 가능한 사회에 기여해 나갈 것입니다.

나고야 대학, 대학원 공학연구과 Masayoshi Yamamoto 교수
올해 경제산업성과 향후 10년도 남지 않은 2030년, 신설 데이터 센터의 30% 저전력화를 목표로 세웠습니다. 단, 그 성능을 위해서는 저전력화뿐만이 아니라, 사회 인프라로서의 견고함과 안전성이 과제입니다.
로옴은 이러한 미래에 대한 사회 요구에 대응하여, 저전력화를 실현함과 동시에, 업계 최고의 게이트 내압 8V라는 견고함과 안전성을 확보한 새로운 GaN 디바이스를 개발하였습니다. 본 제품을 계기로, 로옴은 향후 자사의 우수한 아날로그 전원 기술 「Nano Pulse ControlTM」과의 융합을 통해, 모든 전원의 고효율화를 실현하여, 2040년의 반도체 · 정보 통신 산업의 탄소 중립을 가속화시키는 큰 기술 조류를 만들어 나갈 것입니다.

게이트 - 소스 정격전압 비교
파워 디바이스의 어플리케이션 적용 범위

<배경>

최근, IoT 기기의 증가에 따라 수요가 확대되고 있는 서버 시스템 등에서, 전력 변환 효율의 향상 및 장치의 소형화가 중요한 사회적 과제 중 하나로 떠오르고 있어, 파워 디바이스에 한층 더 진화가 요구되고 있습니다.
로옴은 업계를 리드하는 SiC 디바이스 및 특징있는 각종 실리콘 디바이스의 개발 및 양산을 추진함과 동시에, 각종 어플리케이션에 대해 더 폭넓은 파워 솔루션 제공이 가능한 중내압 영역에서의 고주파 동작에 우수한 GaN 디바이스의 개발도 추진해 왔습니다.

<EcoGaNTM

EcoGaNTM은 GaN이 지닌 낮은 ON 저항과 고속 스위칭 성능을 최대화시킴으로써 어플리케이션의 저소비전력화와 주변 부품의 소형화, 설계 공수와 부품수 삭감을 모두 지향하는 저전력 · 소형화에 기여하는 로옴의 GaN 디바이스입니다.

・EcoGaNTM은 로옴 주식회사의 상표입니다.

<특징>

1. 독자적인 구조로 게이트 – 소스 정격전압을 8V까지 확대

게이트 - 소스 전압 (VGS) 파형

일반적인 200V 내압 이하의 GaN 디바이스는 구조상 게이트 구동 전압 5V에 대해, 게이트 - 소스 정격전압이 6V이므로, 해당 전압 마진이 1V로 매우 좁습니다. 디바이스의 정격전압을 초과하면 열화나 파괴 등 신뢰성에 관한 문제가 발생할 가능성이 있어 게이트 구동 전압에는 고정밀도의 제어가 필요하므로, GaN 디바이스 보급의 큰 과제였습니다.
신제품은, 이러한 과제에 대응하여 독자적인 구조를 채용함으로써, 게이트 - 소스 정격전압을 일반적인 6V에서 업계 최고인 8V까지 높이는데 성공하였습니다. 이에 따라, 디바이스 동작 시의 전압 마진을 확대, 스위칭 시에 6V를 초과하는 오버슈트 전압이 발생하더라도 디바이스가 열화되지 않으므로 전원 회로의 고신뢰화에 기여합니다.

2. 대전류 대응 및 방열성도 우수한 패키지 채용

신뢰성 · 실장성에 대한 실적이 확보되어 있는 대전류 대응 및 방열성이 우수하고, 범용성이 높은 패키지를 채용하여 실장 공정에서의 핸들링이 용이해집니다. 또한, Cu 클립 접합의 패키지 기술을 사용하여 기생 인덕턴스 값을 기존 패키지 대비 55% 저감함으로써, 고주파 동작을 염두에 둔 회로 설계 시에 디바이스의 성능을 최대화시킵니다.

3. 고주파수 대역에서의 전원 효율 96.5% 이상의 고효율 실현

신제품 「GNE1040TB」의 전원 효율

게이트 - 소스 정격전압의 확대 및 낮은 인덕턴스 패키지를 채용함으로써 디바이스의 성능을 최대화시켜, 1MHz의 고주파수 대역에서도 96.5% 이상의 효율을 실현, 전원 기기의 고효율화와 소형화에 기여합니다.

<어플리케이션 예>

어플리케이션 예・데이터 센터 및 기지국 등 48V 입력 강압 컨버터 회로
・기지국 파워 앰프부의 승압 컨버터 회로
・LiDAR 구동 회로, 포터블 기기용 무선 충전 회로
・D급 오디오 앰프

<회로 예>

절연 DC/DC 컨버터 회로 이미지
LiDAR용 레이저 다이오드 구동 이미지

<용어 설명>

※1 : 게이트 - 소스 정격전압 (게이트 내압)
게이트 – 소스 사이에 인가할 수 있는 최대 전압. 동작에 필요한 전압을 구동 전압이라고 하며, 특정 임계치 이상의 전압을 인가하면 GaN HEMT는 ON 상태가 된다.

※2 : GaN HEMT
GaN (질화 갈륨 / 갈륨 나이트라이드)이란, 차세대 파워 디바이스에 사용되는 화합물 반도체 재료. 일반적인 반도체 재료인 실리콘에 비해 물성이 우수하여, 고주파 특성을 활용한 채용이 시작되고 있다.
HEMT란, High Electron Mobility Transistor (고전자 이동도 트랜지스터)의 약칭이다.

※3 : 오버슈트 전압
스위칭 ON / OFF 시에 규정 전압치를 초과하는 전압치가 발생하는 것.

※4 : Nano Pulse ControlTM
전원 IC에서, 나노 초 (ns)의 스위칭 ON 시간 (전원 IC의 제어 펄스 폭)을 실현함으로써, 기존에는 2개 이상의 전원 IC로밖에 구성할 수 없었던 고전압에서 저전압으로의 전압 변환을 “1개의 전원 IC”로 구성할 수 있는 초고속 펄스 제어 기술.

・Nano Pulse ControlTM은 로옴 주식회사의 등록상표입니다.

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