ST마이크로일렉트로닉스, 에너지 효율형 가전제품을 위한 VIPerGaN 100W 컨버터 출시

다양한 전자 애플리케이션과 고객들을 지원하는 세계적인 반도체 회사인 ST마이크로일렉트로닉스(STMicroelectronics, 이하 ST)가 와이드 밴드갭(Wide-Bandgap) 기반의 에너지 절감 효과를 가전, 빌딩 및 홈 자동화, 스마트 조명, TV 및 충전기 등의 컨슈머 제품 전반으로 확대하는 100W급 VIPerGaN 고전압 컨버터 2종을 출시했다.

새로운 컨버터는 3.5A의 출력 전류를 제공하는 VIPerGaN100W와 최대 125W의 단기 피크 전력을 처리하도록 4.2A의 출력 제한값을 갖춘 VIPerGaN100WB로 구성되어 있다. 이처럼 추가된 유연성 덕분에 설계자들은 커피머신, 소형 가전, 에어컨처럼 솔레노이드 밸브나 모터와 같은 유도성 부하가 포함된 장비에서 과도한 사양의 전력 회로를 사용할 필요가 없다. 두 컨버터 모두 85V ~ 265V에 이르는 범용 AC 입력 전압 범위를 지원하며, 185V 전원에 연결 시 100W 출력을 제공한다.

각 컨버터의 700V GaN(Gallium-Nitride) 전력 트랜지스터는 0.27mΩ의 매우 낮은 RDS(on)을 통해 뛰어난 내구성과 신뢰성을 제공하며, 가전 제품의 엄격한 에너지 효율 등급을 충족하는 데 기여한다. 또한, 5mm x 6mm QFN 패키지 기반의 이 디바이스에는 플라이백 컨버터와 GaN 게이트 드라이버가 통합돼 설계자가 스위칭 성능 최적화를 위해 게이트 저항이나 인덕턴스를 세밀하게 조정해야 하는 부담을 덜어준다.

GaN 전력 트랜지스터의 고주파 스위칭 특성을 통해서는 회로 설계자가 소형 수동 부품을 사용하면서도 뛰어난 에너지 효율과 전력 밀도를 구현할 수 있다. ST는 이를 실증하기 위해 VIPerGaN100W를 탑재한 100W USB 타입-C(Type-C) PD 3.0(Power Delivery 3.0) 어댑터용 EVLVIPGAN100WP 레퍼런스 디자인을 개발했다. 이 레퍼런스 디자인은 5V/3A에서 20V/5A에 이르기까지 5단계 출력 설정과 2차측 레귤레이션 및 옵토커플러 피드백을 갖추고 있으며, 92% 이상의 피크 효율과 24W/in3의 전력 밀도를 제공한다.

VIPerGaN100W와 VIPerGaN100WB는 제로 전압 스위칭(Zero-Voltage Switching, ZVS) 기반의 준공진(Quasi-Resonant) 모드로 동작하는 플라이백 컨버터를 각각 내장하고 있다. 또한, 유연한 전력 관리 기능을 통해 스위칭 주파수를 제어함으로써 전체 부하 범위에 걸쳐 최적의 효율을 보장하며, 경부하에서는 주파수 폴드백을, 중부하 및 고부하 시에는 밸리 스키핑(Valley-Skipping)이 적용된다. ST의 독자적인 밸리 락(Valley Lock) 기술은 밸리 스키핑 모드에서 스킵되는 밸리 수를 안정적으로 유지하면서 가청 주파수 영역에서 변동을 방지해 모든 부하 조건에서 저소음 동작을 구현한다. 또한, 버스트 모드 동작은 무부하 상태에서 전력소모를 30mW 미만으로 줄여준다.

이외에도 라인 전압 피드포워드(line-voltage feedforward) 기능을 통해 정밀하게 사이클당 에너지를 제어하여 입력 전압 변동 시에도 전력을 안정적으로 유지한다. 또한, 동적 블랭킹 타임(Dynamic Blanking Time)은 스위칭 주파수의 변화 폭을 제한하여 스위칭 손실을 최소화한다. 두 컨버터 모두 입력 및 출력 과전압, 과열, 브라운인(Brown-in) 및 브라운아웃(Brown-out) 보호 기능을 갖추고 있다.