논문/REGULAR PAPERS
고효율 고전력 Inverse Class-F GaN HEMT 동기 정류기 설계
Design of High-Efficiency and High-Power Inverse Class-F GaN HEMT Synchronous Rectifier
Yusung Na
, Nguyen Dang An
, Chulhun Seo
†
School of Electronic Engineering, Soongsil University
© Copyright 2024 The Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science. This is an Open-Access article distributed under the terms of the
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Received: Nov 20, 2023; Revised: Dec 04, 2023; Accepted: Mar 15, 2024
Published Online: Mar 31, 2024
요 약
본 논문에서는 트랜지스터를 기반으로 한 고효율 고전력 동기 정류기를 설계하였다. 다이오드를 기반으로 한 정류기는 비교적 간단한 구조로 많이 사용되어왔지만, UAV, 전기차 충전 등과 같은 고전력을 요하는 어플리케이션에는 적합하지 않다. 트랜지스터를 기반으로 한 정류기는 30 dBm 이상의 높은 전력에서도 고효율로 정류가 가능한 장점이 있다. 트랜지스터 기반의 정류기는 시간 역전 이중성 이론을 바탕으로 스위치 모드 전력증폭기의 전력 흐름을 부하에서 DC 공급 전원으로 역전시킴으로써 정류기로써 동작한다. 동기 정류기와 자가 동기 정류기가 있으며, 본 논문에서는 동기 정류기를 설계하였다. Inverse Class-F 모드로 동작하도록 고조파를 제어하여 높은 정류 효율을 갖도록 설계하였으며, 제안된 정류기의 성능으로는 측정 결과 37 dBm의 입력 전력에서 73.2%의 정류 효율을 달성하였다.
Abstract
In this study, a high-efficiency, high-power synchronous rectifier based on transistors was designed. The widely used diode-based rectifiers have a relatively simple structure but are unsuitable for high-power applications, such as unmanned aerial vehicle and electric vehicle charging. In contrast, transistor-based rectifiers operate by reversing the power flow of a switch-mode power amplifier from the load to the DC supply based on time-reversal duality and can rectify efficiently, even at a high power of 30 dBm or more. The proposed transistor-based synchronous rectifier was designed to have a high rectification efficiency by controlling the harmonics to operate in the inverse Class-F mode and achieved a peak efficiency of 73.2% at an input power of 37 dBm.
Keywords: WPT; Inverse Class-F; Rectifier; GaN HEMT; Synchronous
Ⅰ. 서 론
정류기는 RF 신호를 DC 신호로 변환하는 역할을 하는 장치이며, 에너지 하베스팅, 무선 전력 전송과 같은 무선 충전 어플리케이션에서 많이 사용된다[1]. 또한, 전력 변환 효율(PCE, power conversion efficiency)은 시스템의 성능에 큰 영향을 미치기 때문에 정류기에서 가장 중요하게 고려되어야 할 성능 지표이다. 정류기를 설계하기 위해서 다이오드를 기반으로 한 정류기가 많이 연구되어 왔다[2]. 다이오드는 RF 신호를 DC 신호로 정류하기에 적절한 소자이고, 비교적 간단한 구조로 설계할 수 있다. 하지만 낮은 항복 전압으로 인해 비교적 낮은 전력에서만 사용이 되고, 높은 입력 전력에서는 적합하지 않다[3]. 따라서 UAV, 전기차 충전 장치 등 높은 전력이 필요한 장치에서 높은 정류 효율을 가지는 정류기의 필요성이 부각되고 있다[4].
높은 전력에서 정류 효율을 높이기 위한 방법으로 시간 역전 이중성 원리를 바탕으로 한 트랜지스터 기반의 정류기가 제안되었다. 시간 역전 이중성 이론이란 시간의 흐름이 역전되어도 시스템은 동일하게 동작한다는 원리이다[5]. DC 전원을 RF 신호로 변환하는 전력증폭기를 역으로 동작시킴으로써 RF 신호를 DC 전원으로 변환하는 정류기로 동작한다. 즉, 스위치 모드 전력증폭기의 전력 흐름을 부하에서 DC 공급 전원으로 역전시켜서 높은 정류 효율을 가지는 정류기를 설계할 수 있다. 트랜지스터 기반 정류기는 자기 동기 정류기와 동기 정류기가 있다[6]. 자기 동기 정류기는 신호 커플링을 위해 트랜지스터 내부 기생 캐패시턴스 Cgd에 의존하며 비교적 구조가 간단하지만 낮은 PCE를 가지는 단점이 있고, 동기 정류기는 신호 커플링을 위해 커플러와 위상 천이기를 사용하며 비교적 복잡한 구조를 가지지만 높은 PCE을 얻을 수 있다.
본 논문에서는 고효율 고전력 동기 정류기를 제안한다. 제안된 구조는 I-generation 평면에서 정확한 inverse class-F 모드 동작을 위해 트랜지스터의 기생 성분을 고려한 고조파 제어 네트워크를 배치하였다. I-generation 평면이란 패키징된 트랜지스터 구조 내에서 다른 패키징 요소들에 영향을 받지 않는 실제 드레인 단자가 위치한 평면을 의미한다. 또한, 보다 소형화된 회로 구현을 위해 전송선로만으로 신호를 커플링할 수 있도록 on-board 커플러와 위상 천이기를 설계하고 통합하였다. 제안된 방법으로 정류기를 제작하여 2.45 GHz에서 검증을 위해 측정한 결과 37 dBm의 입력 전력에서 약 최대 73.2%의 PCE가 측정되었다.
Ⅱ. 제안된 회로 구조 및 설계
2-1 Inverse Class-F 전력증폭기 설계
동기 정류기를 설계하기 위해서는 먼저 전력증폭기를 설계해야 한다. 동기 정류기의 성능은 전력증폭기의 성능에 의존하므로 고효율 전력증폭기를 설계하는 것이 필수적이다. 본 논문에서는 고조파를 제어하여 높은 효율을 달성할 수 있는 inverse class-F 전력증폭기를 설계하였다. 그림 1은 설계된 inverse class-F 전력증폭기의 회로도이며, 50 Ω 매칭 네트워크 단과 고조파 제어 네트워크 단을 포함한다. inverse class-F 전력증폭기는 짝수 고조파에서 개방되고 홀수 고조파에서 단락되어 동작하며, 본 논문에서는 충분한 효율을 달성할 수 있는 2차와 3차 고조파만을 제어하여 설계를 진행하였다. 설계에 사용된 프로그램은 Keysight사의 ADS이며, 사용한 트랜지스터는 Cree사의 CGH40006P이다.
고조파 제어 네트워크는 I-generation 평면에서의 고조파 부하 임피던스를 제어하며, 동작 주파수 f는 2.45 GHz이다. TL1, TL2 및 TL3은 f에서 각각 λ/8, λ/4 및 λ/8의 전기적 길이를 가지며 2f에서의 부하 임피던스가 ∞가 되도록 하고, TL5와 TL6은 f에서 λ/12의 전기적 길이를 가지며 3f에서의 부하 임피던스가 0이 되도록 한다. 또한, TL0과 TL4는 트랜지스터의 기생 성분을 고려하여 튜닝 라인으로써 동작한다. 최종적으로 설계된 전력증폭기의 각 TLIN 파라미터 값은 표 1에 나타내었다.
표 1. | Table 1.
전력증폭기 각 TLIN의 파라미터 값 | TLIN parameters of power amplifier.
|
TLIN |
TL0 |
TL1 |
TL2 |
TL3 |
TL4 |
TL5 |
|
Z (Ω) |
73 |
73 |
73 |
73 |
73 |
73 |
|
θ (°) |
48.5 |
45 |
90 |
45 |
63.5 |
30 |
|
TLIN |
TL6 |
TL7 |
TL8 |
TL9 |
TL10 |
TL11 |
|
Z (Ω) |
73 |
50 |
50 |
50 |
50 |
50 |
|
θ (°) |
30 |
35.5 |
43 |
73.9 |
17 |
90 |
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그림 2은 설계된 inverse class-F 전력증폭기의 드레인 전압 및 전류 파형을 나타낸 시뮬레이션 결과이다. 짝수 차수 고조파가 개방되고 홀수 차수 고조파가 단락되는 inverse class-F의 경우 전압은 정현파, 전류는 구형파의 형태로 나타난다. 파형을 보면 전압과 전류가 각각 정현파, 구형파의 형태로 생성되는 것을 볼 수 있다. 그림 3은 2.45 GHz에서 입력 전력에 대한 전력증폭기의 시뮬레이션 결과이다. 입력 전력이 26 dBm일 때 최대 전력 부가 효율(PAE, power added efficiency) 80.9%가 출력되었고, 이때의 출력 전력 및 이득은 각각 38.7 dBm 및 13.5 dB로 출력되었다.
그림 2. | Fig. 2.
Inverse class-F 전력증폭기 드레인 전압 및 전류 파형 | Simulated drain voltage and current waveforms of inverse class-f power amplifier.
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2-2 제안된 Inverse Class-F GaN HEMT 동기 정류기 설계
그림 4는 설계된 inverse class-F 동기 정류기의 회로도이다. 전력증폭기의 출력 포트를 정류기의 입력 포트로 전환해주고, 전력증폭기의 DC 바이어스 포트를 출력 저항 RL로 바꿔준다. 그 후 게이트 구동 신호를 생성하기 위해 RF 입력에 커플러와 위상 천이기를 이용하여 피드백 경로를 추가하면 동기 정류기로 동작이 가능하다.
그림 4. | Fig. 4.
설계된 Inverse class-F 동기 정류기의 회로도 | Schematic of inverse class-F synchronous rectifier.
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커플러와 위상 천이기는 전송선로를 이용하여 on-board로 설계하여서 회로 구현을 소형화하였다. 커플러 설계를 위한 짝수 임피던스 Z0e 및 홀수 임피던스 Z0o는 아래 식과 같이 나타낼 수 있으며, 결합계수 C는 전력증폭기의 이득과 근접한 −14 dB로 설정하여 설계를 진행하였다.
고조파 제어 네트워크 및 매칭 네트워크의 TLIN 파라미터 값은 전력증폭기와 동일하며, 식 (1)~식 (3)을 통해 계산된 커플러 및 위상 천이기의 파라미터 값은 표 2를 통해 나타내었다.
표 2. | Table 2.
설계된 정류기의 커플러 및 위상 천이기 파라미터 값 | Coupler and phase shifter parameters of synchronous rectifier.
|
TLIN |
Coupler |
Phase shifter |
|
Z (Ω) |
Z0e=61.21
Z0o=40.84 |
50 |
|
θ (°) |
90 |
55 |
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게이트 바이어스 전압 Vgs는 GaN HEMT 소자의 동작에 중요한 영향을 끼치므로, 바이어스 포인트를 선택하는 것은 중요하다. Vgs의 값에 따른 PCE의 변화를 그림 5를 통해 나타내었다. 시뮬레이션 결과 Vgs=−2.9 V일 때 최적의 PCE가 출력됨을 볼 수 있다.
그림 6은 0 dBm~40 dBm의 입력 전력에서 설계된 정류기의 2차, 3차 고조파 임피던스를 스미스 차트로 나타낸 것이다. 2차 고조파는 높은 임피던스를 가지고 개방 회로 지점 주변에 분포하며, 3차 고조파는 낮은 임피던스를 가지고 단락 지점 주변에 위치하는 것을 볼 수 있다. 이는 제안된 설계에서 효율적인 inverse class-F 동작을 나타낸다.
그림 6. | Fig. 6.
설계된 동기 정류기의 2차, 3차 고조파 임피던스 | Simulated impedance of second and third harmonics of synchronous rectifier on the Smith chart.
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그림 7은 37 dBm의 입력 전력에서 부하 저항 RL에 따른 PCE의 변화를 나타낸 그래프이다. RL=150 Ω일 때 최대 PCE 79.2%가 출력됨을 확인하였다.
그림 7. | Fig. 7.
부하 저항에 따른 PCE 및 출력 전압값 | Simulated PCE and output voltage versus load resistance.
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Ⅲ. 회로 구현 및 실험 결과
그림 8은 제작된 동기 정류기와 측정 과정을 보여준 사진이다. 기판은 Taconic사의 두께 0.8 mm TLY-5를 사용하였으며, 제작된 회로의 크기는 58×56 mm2이다. 구동 증폭기를 이용하여 높은 입력 전력에서 측정하였고, 게이트 바이어스 전압 Vgs=−2.9 V, 부하 저항 RL=150 Ω로 설정하여 측정을 진행하였다. 그림 9은 2.45 GHz에서 입력 전력에 대한 정류기의 시뮬레이션 및 측정 결과이며, 기존 발표된 연구들과의 성능 비교를 표 3에 나타내었다. 시뮬레이션 결과 최대 PCE는 입력 전력이 37 dBm일때 79.2%로 출력되었으며, 제작상의 오차로 인해 측정 결과는 2.3 GHz에서 73.2%의 PCE가 측정되었다.
그림 8. | Fig. 8.
제작된 동기 정류기 회로 사진과 측정 셋업 | Fabricated circuit of synchronous rectifier and measurement setup.
Download Original Figure
그림 9. | Fig. 9.
제작된 동기 정류기의 시뮬레이션 및 측정값 | Simulation and measurement result of synchronous rectifier.
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표 3. | Table 3.
이전 발표된 연구들과의 성능 비교 표 | Comparison with previous works.
|
Ref. |
Freq. (GHz) |
Class |
Device |
Eff. (%) |
Coupler |
Phase shifter |
|
[6]
|
0.91 |
Class-F-1 |
GaN HEMT |
85 |
External |
External |
|
[7]
|
1.8 |
Class-F-1 |
GaN HEMT |
77 |
External |
External |
|
[8]
|
2.4 |
Class-F |
GaN HEMT |
69.6 |
On board |
On board |
|
This work |
2.45 |
Class-F-1 |
GaN HEMT |
73.2 |
On board |
On board |
Download Excel Table
Ⅳ. 결 론
본 논문에서는 고효율 고전력 동기 정류기를 설계하였다. Inverse class-F 모드를 이용하여 효율을 증가시켰으며, GaN HEMT를 사용하여 30 dBm 이상의 높은 전력에서도 정류가 가능하도록 설계하였다. 또한, on-board 커플러 및 위상 천이기를 배치하여 전송선로만으로 RF신호를 커플링하여 회로 구현을 소형화하였으며, 게이트 구동 신호의 위상을 조절하여 동기 정류기로써 동작하도록 설계하였다. 설계된 동기 정류기의 시물레이션 결과 2.45 GHz에서 입력 전력이 37 dBm일 때 최대 79.2%의 PCE가 출력되었으며, 제작된 회로의 측정 결과는 2.3 GHz에서 73.2%의 PCE가 측정되었다.
Acknowledgements
이 논문은 2017년도 정부(미래창조과학부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초 연구사업임(No. NRF-2017R1A5A1015596).
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