전압체배기 구조를 이용한 5.8 GHz GaN HEMT F급 정류기

Ⅰ. 서 론

휴대전화, 웨어러블 기기, IoT(internet of things, 사물인터넷)와 같은 전자기기의 성능이 급격하게 발전함에 따라 충전시스템의 고도화가 불가피해졌다. 최근에는 무선전력전송(WPT, wireless power transmission) 중 고주파를 이용한 마이크로파전력전송(MPT, microwave power transmission)이 주목받고 있다 ^[1]~[3]. MPT 시스템의 수신부에서 가장 중요한 성능은 RF-dc 변환 효율이고, 정류기는 이를 결정짓는 수신부의 주요한 단위 회로이다. 이에 따라 정류기의 고효율 특성 확보를 위한 많은 연구가 활발히 진행되고 있다^[4]~[17].

RF-dc 변환 효율을 높이는 방법으로는 고조파 제거 기술과 높은 dc 출력을 확보하는 방법이 있다. 고조파 제거 기술은 흔히 전력증폭기에서 전력 효율을 높이는 데에 사용되었다. 예를 들면, F급 전력증폭기는 2차 고조파 임피던스를 단락하고, 3차 고조파 임피던스를 개방하여 트랜지스터의 걸리는 전류와 전압 파형의 모양을 바꿔 효율을 높인다^[18]. 정류기에서도 다이오드의 비선형적인 동작으로 인해 고조파 성분이 발생하게 되고, 이는 RF-dc 변환 효율 감소로 이어진다^[4]. 전력증폭기의 고조파 제거 기술을 정류기에 적용하면 높은 RF-dc 변환 효율을 얻을 수 있다. 그림 1은 이상적인 F급 정류기의 전압과 전류 파형을 나타낸 것이다. 다이오드에 걸리는 전압의 파형을 사각파로, 전류의 파형을 사인파로 만들어 고효율의 F급 정류기를 구현할 수 있다. 실제로 연구된 F급 정류기로는 5.8 GHz에서 78.6 %의 RF-dc 변환 효율^[4]과 5.8 GHz에서 73.1 %의 RF-dc 변환 효율^[8]로 동작하는 연구가 제시되었다.

그림 1. | Fig. 1. 이상적인 F급 정류기의 전압과 전류 파형도 | Diode voltage and current waveforms of the ideal Class-F rectifier.

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기본적인 정류기 구조는 단일의 병렬 다이오드와 직렬 다이오드로 구성되어 있다^{[4],[5],[7],[9]~[11]}. 하지만, 이와 같은 구조는 출력 전압이 낮아 높은 입력 RF 전력에서 RF-dc 변환 효율이 낮다는 단점이 있다. 전압채배기는 병렬 다이오드와 직렬 다이오드로 구성되어 있어서 단일 다이오드 구조보다 약 두 배의 전압을 얻을 수 있다는 장점이 있다^[19]. 회로구조뿐만 아니라, 다이오드 선택도 중요하다. 정류기에는 상대적으로 문턱전압이 낮은 쇼트키 다이오드를 사용하고 낮은 입력 전력부터 다이오드가 동작하게 되어 손실을 최소화할 수 있다는 장점이 있다. 이런 장점을 기반으로 GaAs 혹은 Si 기반의 패키지된 상용 쇼트키 다이오드를 사용한 정류기 연구가 제시되었고, 5.8 GHz 대역에서 17.65 dBm의 입력전력 기준 79.8 %의 RF-dc 변환 효율^[4]과 19 dBm의 입력전력 기준 65.8 %^[5]의 RF-dc 변환 효율을 측정결과로 보였다. 하지만, 이 다이오드들은 낮은 항복전압을 가지고 있어서 높은 입력전력에 대해 고효율로 동작하기 어렵고, 패키지의 기생성분으로 인한 전력 손실이 불가피하다는 단점이 있다. 반면, GaN HEMT 기반의 다이오드를 활용하여 높은 입력전력에 대해 고효율로 동작하는 연구가 제시되었고, 0.915 GHz 대역에서 39 dBm의 입력전력 기준 61.2 %의 RF-dc 변환 효율^[13]과 0.928 GHz 대역에서 30.5 dBm의 입력전력 기준 85.1 %의 RF-dc 변환 효율^[14]을 측정결과로 보였다. GaN HEMT는 넓은 에너지 밴드갭과 높은 항복전압을 특징으로 갖고, 이로 인해 높은 전력 환경에서 안정된 동작을 할 수 있다는 장점이 있다.

본 논문에서는 diode-connected GaN HEMT를 다이오드로 이용하고 고조파 제거 기술과 전압채배기를 이용하여 5.8 GHz 대역에서 높은 입력 RF 전력에 대해 고효율로 동작하는 정류기를 설계했다. 다이오드는 Win Semiconductors사의 0.25 μm GaN HEMT 공정의 다이오드를 이용했다. 트랜지스터의 드레인과 소스를 1개의 metal로 묶은 다이오드 2개를 사용하여 전압채배기를 구성했고, 이를 bare-chip으로 설계했다. 이 구조를 사용하면 입력 RF전압의 첨두값의 약 2배가 되는 출력 dc 전압을 얻을 수 있어 높은 입력전력에서 고효율의 정류기 설계가 가능하다. Bare-chip은 COB(chip-on-board) 방식으로 PCB에 실장했고, bare-chip과 PCB를 전기적으로 연결하는 방법을 4가지 제시했다. 어떤 방식이 가장 우수한 성능을 갖는지 실험적으로 검증했다. 입력 정합회로에는 3차 고조파 정합회로를 포함시켜 3차 고조파 제거 가능한 F급 정류기를 구현했고, 직렬 전송 선로와 병렬 개방 스텁만을 이용하여 간단하게 설계했다.

Ⅱ. 회로 설계

그림 2는 제안된 전압채배기를 이용한 5.8 GHz GaN HEMT F급 정류기 도식도이고, 입력단, 다이오드단 그리고 출력단으로 구성되어 있다. 입력단에서는 F급 정류기 구현을 위해 원천주파수 정합회로에 3차 고조파 정합회로를 포함시켜 입력 정합회로를 설계했다. 다이오드단은 전압채배기를 사용했다. 전압채배기는 병렬 다이오드 D1과 직렬 다이오드 D2의 다이오드의 순차적인 도통 및 차단과 커패시터(C_IN과 C_OUT)의 충전 및 방전에 따라서 이론적으로 입력 RF전압의 첨두값의 2배가 되는 출력 dc 전압을 얻을 수 있는 구조이고, 이는 높은 RF-dc 변환 효율로 이어진다. 이 구조에서 이상적으로 2개의 다이오드는 push-pull 증폭기에서의 2개의 트랜지스터와 같이 균형을 이루는 구조이고, 교대로 동작하게 되어 2차 고조파가 상쇄되기 때문에 입력 정합회로에 3차 고조파 정합회로만 포함하여 비교적 간단하게 F급 정류기를 설계할 수 있다^[8]. 출력단에서는 최적의 C_OUT과 R_load의 값을 찾고 최종적으로는 출력 dc전력의 값을 확인하여 RF-dc 변환 효율을 확인했다.

그림 2. | Fig. 2. 제안된 정류기 도식도 | Diagram of the proposed rectifier.

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그림 3은 본 논문에서 제안된 5.8 GHz에서 동작하는 전압채배기를 이용한 F급 정류기 회로도이다. 입력 정합회로는 원천주파수 정합회로에 3차 고조파 정합회로를 포함시켜 설계했다. 그림 4는 원천주파수의 소스 임피던스 정합 궤적을 나타낸 것이다. 50∠61.5°(D)와 50∠30° (B)의 병렬 개방 스텁과 50∠30.5°(C)와 50∠30°(A)의 직렬 전송 선로를 이용하여 50 Ω에서 16+j*34 Ω으로 정합했다. 그림 5는 3차 고조파의 소스 임피던스 정합 궤적을 나타낸 것이다. 50∠30°(B)의 병렬 개방 스텁과 50∠30°(A)의 직렬 전송 선로를 이용하여 3차 고조파 임피던스가 개방이 되도록 정합했다. C_IN은 dc 차단 커패시터 역할을 하고 입력 정합의 기능은 하지 않는다.

그림 3. | Fig. 3. 제안된 정류기 회로도 | Schematic of the proposed rectifier.

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그림 4. | Fig. 4. 원천주파수의 소스 임피던스 정합 궤적 | Source impedance matching trajectory of the fundamental frequency.

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그림 5. | Fig. 5. 3차 고조파의 소스 임피던스 정합 궤적 | Source impedance matching trajectory of the third harmonic frequency.

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그림 6은 병렬과 직렬 다이오드의 전압과 전류 파형 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이다. 3차 고조파 제어에 따라서 전압은 사각파, 전류는 사인파 형태에 가까운 파형을 나타내었다.

그림 6. | Fig. 6. 전압과 전류 파형 시뮬레이션 결과 | Simulation result of voltage and current waveforms.

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그림 7은 제안된 정류기의 GaN HEMT 다이오드 bare-chip 사진이다. Diode-connected GaN HEMT를 다이오드로 사용했고, 다이오드의 음극은 드레인과 소스를 1개의 metal로 묶어서 구성했고, 양극은 게이트를 사용했다. 2개의 다이오드를 1개의 bare-chip으로 구성했고, D1은 병렬로, D2는 직렬로 배치하여 전압채배기를 구현했다. Bare-chip 크기는 0.39×0.52 mm²이고 두께는 100 μm이다. 그림 8은 입력 RF 전압과 출력 dc 전압의 시뮬레이션 결과이다. 전압채배기를 사용하여 입력전력 32 dBm에서 출력 전압이 입력 전압의 첨두값의 약 2배인 30~32 V인 것을 확인했다.

그림 7. | Fig. 7. 제안된 정류기의 GaN HEMT 다이오드 bare-chip 사진 | Photograph of GaN HEMT diode bare-chip of the proposed rectifier.

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그림 8. | Fig. 8. 제안된 정류기의 입력 RF 전압 및 출력 dc 전압 시뮬레이션 결과 | Simulation result of voltage of input RF and output dc of the proposed rectifier.

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Bare-chip을 PCB에 부착하기 위해서 COB 방법을 택했다. COB는 패키지로 인해 발생하는 기생 성분의 영향을 최소화할 수 있다는 장점이 있다^[13]. Bare-chip을 COB 방식으로 PCB에 부착하게 되면 그림 3 및 그림 7의 노드 ①, ②, ③을 PCB와 전기적으로 연결해야 한다. 연결 방법으로는 TWV와 와이어 본딩이 있으며 다이오드 모델의 불확실성을 감안해서 2개의 방법을 조합하여 표 1과 같이 총 4가지 버전으로 회로를 설계했고 어떤 버전이 최고의 성능을 갖는지 실험적으로 검증했다.

C_out은 총 3개의 커패시터로 구성했다. C₁과 C₂는 각각 원천주파수와 2차 고조파에서 단락이 되는 커패시터이며출력단에서 두 개의 주파수 신호를 bypass하는 역할을 한다. 그림 9는 시뮬레이션에서 C₁과 C₂가 각 각 원천주파수와 2차 고조파의 출력 전압을 감소시키는 것을 보여준다. 이는 정류된 dc 성분의 ripple을 최소화하여 RF-dc 변환 효율을 높일 수 있다는 장점이 있다. C_rect는 상대적으로 큰 값의 커패시턴스와 100 V의 정격전압 갖는 dc 통과 필터 커패시터이며, 부하에서 RF 신호를 dc 성분으로 정류하는 역할을 한다.

그림 9. | Fig. 9. 제안된 정류기의 출력 dc 전압 시뮬레이션 결과 | Simulation result of output dc voltage.

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Ⅲ. 제작 및 측정결과

정류기는 GaN HEMT로 구현된 다이오드 bare-chip과 PCB의 전송선로를 이용하여 제작했다. 그림 10(a)는 TWV와 와이어 본딩 방식을 사용하여 버전별로 bare-chip과 PCB를 전기적으로 연결한 사진이고 그림 10(b)는 제작된 정류기 사진이다. 각 다이오드의 음극과 양극은 버전별로 표 1과 같이 bare-chip과 PCB를 전기적으로 연결했다. 제작된 회로의 크기는 33.3×26.8 mm²이다. 회로의 입력에는 dc 차단 역할을 하는 3.3 pF의 커패시터(C_IN)를 사용했고, 출력에는 원천주파수와 2차 고조파 성분을 bypass시키는 1.0 pF(C₁)과 0.3 pF의 커패시터(C₂)와 정류 동작에 사용되는 10 μF의 상대적으로 큰 값의 커패시터(C_rect)를 사용했다.

그림 10. | Fig. 10. 제작된 정류기 사진 | Photograph of the fabricated rectifier.

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그림 11은 제작된 정류기의 RF-dc 변환 효율 시뮬레이션 및 측정결과이다. 제작된 회로는 전자부하기를 이용해서 부하저항의 값을 800 Ω, 1,000 Ω, 1,200 Ω, 그리고 1,400 Ω으로 바꿔가면서 RF-dc 변환 효율을 확인했다. 5.8 GHz에서 입력 RF 전력 32 dBm과 부하저항 1,000 Ω 기준 모든 버전에서 55 % 이상의 RF-dc 변환 효율을 가지며, 버전 2에서 69 %의 최대효율을 갖는 것을 확인했다.

그림 11. | Fig. 11. 제안된 정류기의 RF-dc 변환 효율 시뮬레이션 및 측정결과 | Simulation and measurement results of the fabricated rectifier.

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표 2는 제안된 정류기의 측정 결과 및 이전에 보고된정류기의 성능 비교를 제시한다. 제안된 정류기는 참고문헌 [4]~참고문헌 [12]와 비교해서 더 높은 입력 RF전력에서 69 %의 RF-dc 변환 효율을 얻었다. 동일한 GaN HEMT 다이오드를 사용한 참고문헌 [13] 및 참고문헌 [14]와 비교해서 더 높은 주파수에서 고효율의 RF-dc 변환 효율을 얻었고, 참고문헌 [15]와 비교해서 동일한 주파수 대역에서 더 높은 RF-dc 변환 효율을 얻었다.

Ⅳ. 결 론

본 논문에서는 5.8 GHz 대역에서 동작하는 전압채배기의 F급 GaN HEMT 정류기를 설계했다. F급 동작을 위하여 입력 정합회로에 3차 고조파 임피던스를 개방시키는 기법을 적용하여 RF-dc 변환 효율 특성을 개선했다. 정류 소자는 diode-connected GaN HEMT를 사용했고, bare-chip에 2개의 다이오드로 구성된 전압채배기를 설계하여 높은 dc 출력 특성을 확보했다. Bare-chip을 PCB와 전기적으로 연결하는 방식을 4가지 제시했으며, 어떤 방식이 최대 효율을 갖는지 실험적으로 검증했다. 출력단은 bypass 커패시터를 사용하여 교류 성분을 제거하고, 출력 dc 전압의 ripple을 최소화하였다. 제작된 정류기는 5.8 GHz에서 입력 RF 전력 32 dBm과 부하저항 1,000 Ω 기준 모든 버전에서 55 % 이상의 효율과 버전 2에서 69 %의 최대 효율을 얻었다.