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저전력 시스템에서 GaN HEMT와 Si MOSFET의 전력 손실 분석 = Power Loss Analysis of GaN HEMT and Si MOSFET in Low-Power System
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학술지명
한국산학기술학회논문지(Journal of Korea Academia-Industrial cooperation Society)
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2022
작성언어
Korean
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KCI등재
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학술저널
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8-15(8쪽)
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Silicon-based power semiconductors have occupied most of the power electronics market, but due to their physical limitations, Gallium Nitride High Electron Mobility Transistors (GaN HEMT) are drawing attention. However, since studies applying GaN HEMT have focused on high-power systems, theoretical analysis of low-power systems is lacking. Research that depends only on experimental results has limitations in application to various low-power systems. Therefore, this paper proposes a step-by-step power loss analysis for comparing the efficiency of a Si MOSFET and a GaN HEMT in a low-power system by using a buck converter topology that can charge cylindrical lithium-ion batteries. The causes of loss were expressed as equations, and the parameter values affecting them were measured. The loss tendency was analyzed, and a buck converter was designed to measure the efficiency for verification. The result shows the efficiency was improved 13% when a GaN HEMT was applied in 450 kHz operation. It is shown that GaN HEMT are more suitable than a Si MOSFET in low-power, high-frequency systems and that it is necessary to reduce switching losses for designing high-efficiency GaN HEMT applications. The power loss analysis can quantitatively evaluate the amount of loss and is expected to contribute to efficiency improvement when designing low-power systems.
더보기전력변환시스템의 효율 개선에 관한 관심은 기존의 전력전자 시장의 대부분을 차지했던 실리콘(Si: silicon) 전력반도체의 물리적 한계로 인해 차세대 전력반도체라 불리는 질화갈륨 고속 전자 이동 트랜지스터(GaN HEMT: Gallium Nitride High Electron Mobility Transistor)에 관한 연구로 확대되고 있다. 하지만 GaN HEMT를 적용한 연구는 kW 급의 전력 시스템에 초점이 맞춰졌으며 소형 전자기기 적용을 위한 저전력 시스템에서의 이론적 분석은 부족한 실정이다. 이론적 분석 없이 실험 결과에만 의존하는 기존 저전력 시스템의 효율 개선 연구는 다양한 시스템 환경에 적용하기엔 한계가 존재한다. 따라서, 본 논문에서는 원통형 리튬이온배터리를 충전할 수 있는 벅컨버터 토폴로지를 선정하여 저전력 시스템에서 Si MOSFET과 GaN HEMT의 효율 비교를 위한 단계적 손실 분석방법을 제안한다. 저전력 시스템의 손실 요인을 전기적 특성값으로 모델링했고 손실에 영향을 미치는 파라미터값은 측정값을 사용했다. 계산된 손실값을 통해 각 전력반도체 소자에 따른 경향성을 분석했고, 이를 검증하기 위해 벅컨버터를 설계하여 주파수에 따른 효율을 측정했다. 측정결과, 450 kHz 스위칭 구동에서 Si MOSFET 대신 GaN HEMT를 적용했을 때 13 %의 효율이 개선됐다. 단계적 이론 분석과 실험 결과를 통해 저전력 고주파 시스템에서 Si MOSFET보다 GaN HEMT가 더 적합함을 보였고 초고전력밀도, 초고효율의 GaN HEMT 어플리케이션 설계를 위해서는 스위칭 손실의 저감이 필수임을 보였다. 본 논문에서 제안한 저전력 시스템에서의 이론적 손실 분석법은 손실량을 정량적으로 평가할 수 있어 GaN HEMT를 적용한 저전력 시스템 설계 시 효율 분석 및 개선에 기여할 것으로 기대된다.
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