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트랙션 인버터에 SiC를 활용해 EV 주행거리 연장하기

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헬로티 전자기술 기자 |

 

 

오늘날 자동차와 반도체 기술 모두에서 커다란 변화가 일어나고 있다. 자동차는 화석연료 대신 전기 전력을 사용해서 청정하게 운전하게 됐으며, 전기차(EV)의 서브시스템에는 새로운 반도체 부품들을 사용해서 전력 효율을 극대화하고 주행 거리를 연장하게 됐다.

 

티모시 로시뇰(Timothé Rossignol) 아나로그디바이스(ADI) 마케팅 매니저


각국 정부들은 자동차 제조사에 차량의 이산화탄소 배출을 줄이도록 의무화하고 의무 불이행시 엄격한 제재를 가하고 있으며, 이와 함께 도로 주변과 주차장 시설을 중심으로 EV 충전 인프라도 빠르게 확충해가고 있다.

 

그럼에도 불구하고 EV 주행 거리에 대한 소비자의 불안감 때문에 전기차 보급은 본격적인 궤도로 올라서지 못하고 있다. 

 

보다 대용량 EV 배터리를 사용하면 EV 주행 거리를 연장해서 이에 대한 소비자들의 불안감을 해소할 수 있을 것이다. 하지만 이는 EV의 가격을 높이는 요인이 된다. 배터리는 최종 자동차 가격의 25% 이상을 차지한다. 

 

다행인 것은 반도체 기술 혁신에 따른 실리콘 카바이드(SiC) MOSFET 전원 스위치 같은 새로운 와이드 밴드갭 디바이스 덕분에 소비자들의 EV 거리에 대한 요구와 자동차 회사가 경쟁력 있는 가격대로 이러한 요구를 충족하는 능력 사이의 간극을 좁히게 됐다는 점이다.

 

 

SiC 기술의 활용
 
 

 

SiC 기반 전원 스위치는 전력 밀도와 효율 측면에서 유리한 것으로 이미 잘 알려져 있는데, 이것은 시스템 냉각과 크기를 줄이는 효과로 이어진다. SiC를 활용함으로써 800V/250kW 인버터의 크기를 종전보다 1/3로 줄이며, 여기에 부가적 이점으로서 DC 링크 박막 커패시터의 크기와 비용까지도 크게 줄일 수 있다.

 

따라서 기존의 실리콘과 비교하면, SiC 전원 스위치를 사용함으로써 주행 거리를 연장하거나, 아니면 배터리 팩의 크기를 줄일 수 있으므로 시스템 차원에서 비용을 크게 낮출 수 있다. 

 

EV 효율을 높이고 주행 거리를 연장하는 데 있어 가장 중요한 요소는 트랙션 인버터다. 그리고 트랙션 인버터에서 가장 비싸면서 기능적으로 중요한 부품이 전원 스위치다. SiC 전원 스위치는 가격이 비싼 대신 시스템 차원에서는 더 이득인데, 이러한 이점을 극대화하려면 SiC 전원 스위치를 매우 정확하게 제어해야 한다. 

 

실제로, 제대로 관리되지 않은 전원 스위치 환경에서 극히 빠른 전압 또는 전류 트랜션트(dv/dt와 di/dt)로 인해 굉장히 높고 파괴적인 전압 오버슈트가 발생하거나, 공통 모드 잡음 변화가 생기면 SiC 스위치가 가진 근본적인 이점들은 사라질 수 있다. 기본적으로 SiC 스위치는 토대 기술임에도 불구하고 기능은 비교적 단순하지만(3단자 디바이스일 뿐이다), 시스템에 대한 인터페이스는 신중하게 해야 한다.

 

 

게이트 드라이버
 
 

 

절연형 게이트 드라이버는 최적의 스위칭을 달성하고 절연 벽을 통해 전달 지연을 짧게 한다. 이와 동시에 시스템 절연과 안전 절연을 제공하고, 전원 스위치 과열을 방지하며, 단락 회로를 감지 및 보호하고, ASIL D 시스템에서 하위 블록 구동/스위치 기능을 삽입 및 원활하게 해준다.

 

SiC 스위치에 슬루율이 높은 트랜션트가 가해지면 절연 벽을 통한 데이터 전송이 손상될 수 있다. 따라서 이러한 트랜션트에 대한 취약성을 측정하고 이해하는 것이 중요하다.

 

ADI의 iCoupler 기술은 공통 모드 트랜션트 내성(CMTI)이 200V/ns 이상으로 매우 우수한 것으로 확인됐다. 그러므로 안전 동작 모드에서 SiC 스위칭 시간의 이점을 최대한 실현하게 해준다.
 

 

울프스피드 같은 선도적인 SiC MOSFET 전원 스위치 업체의 시험 테스트에서도 고성능 게이트 드라이버의 진가가 입증됐다.

 

단락 회로 검출 시간과 총 결함 제거 시간 같은 주요 파라미터의 경우, 각각 300ns와 800ns에 이르는 우수한 성능을 달성하는 것으로 확인된다. 여기에 추가적인 안전 및 보호 기능으로서, 조절가능한 소프트 셧다운 기능이 원활한 시스템 동작을 위해 필수적인 역할을 하는 것이 확인됐다. 


스위칭 에너지와 전자기 적합성(EMC)은 향상된 성능을 달성하고 EV 거리를 연장하도록 한다. 보다 높은 구동 능력은 더 빠른 에지 레이트를 가능하게 하고 스위칭 손실을 낮춘다. 따라서 효율을 높일 뿐 아니라 게이트 드라이버마다 필요로 하는 외부 버퍼를 제거할 수 있으므로 보드 공간을 절약하고 비용을 낮출 수 있게 해준다.

 

또는 시스템을 좀 더 느리게 스위칭해서(낮은 스위칭 주파수로 동작) 최적의 효율을 달성하며, 계단형으로 스위칭해서 효율을 보다 더 높일 수도 있다. ADI는 이를 위해서 조절가능한 슬루율 기능을 제공한다.

 

그 밖의 시스템 구성 요소

 

주변 부품의 성능이나 효율이 떨어지면 게이트 드라이버와 SiC 스위치 솔루션의 이점을 극대화하는 데 제약이 될 수 있다. ADI는 전원과 센싱에 있어 축적된 전문성과 시스템 차원의 이해를 바탕으로 다양한 설계 과제들을 해결하도록 돕는다.

 

EV는 드라이브 트레인의 전력 효율을 더 높일 수 있는 여지들이 남아 있으며, 안전하고 신뢰할 수 있는 동작을 달성하면서 가용 배터리 용량을 극대화하기 위해서도 이렇게 하는 것이 필요하다.

 

BMS의 품질은 EV가 1회 충전당 주행 거리에 직접적인 영향을 미치며, 전반적인 배터리 수명을 극대화하고 그럼으로써 총 유지비용(TCO)을 낮추는 데 도움이 된다.

 

전원 관리 측면에서는 BOM 비용이나 PCB 풋프린트를 늘리지 않으면서 복잡한 전자기 간섭(EMI) 문제를 해결하는 것이 중요하다. 전원 공급 측면에서는 전력 효율, 열 성능, 패키징을 중요하게 고려해야 한다. 이는 절연형 게이트 드라이버 전원 회로나 보조적 고전압-대-저전압 DC-DC 회로 모두 마찬가지다.

 

EMI 문제를 완화하는 것이 EV 설계에서 점점 중요해지고 있다. 다중의 전원장치를 스위칭할 때 EMC 또한 까다로운 과제며, 우수한 EMC를 달성함으로써 규격 시험에 걸리는 시간을 단축하고 설계 복잡성을 낮출 수 있다. 그럼으로써 개발 기간을 줄일 수 있다. 

 

자기 센싱이 발전함에 따라 전력 손실을 일으키지 않으면서 높은 대역폭과 정확도를 지원하는 새로운 세대의 비접촉 전류 센서와, ‘end-of-shaft’와 ‘off-shaft’ 구성을 위한 정확하면서도 견고한 위치 센서들이 등장하게 됐다.

 

통상적인 플러그인 하이브리드 EV 용으로 15~30종의 전류 센서가 시장에 나와 있으며1, 회전 및 위치 센서를 사용해서 트랙션 모터 동작을 모니터링할 수 있다. EV 전원 서브시스템에 대한 효율을 측정하고 유지하기 위해서는 검출 정확도와 부유 자기장에 대한 강건성이 중요하다. 

 

엔드투엔드 효율

 

배터리부터 트랙션 인버터와 지원 회로에 이르기까지 EV 파워트레인 전반에 걸쳐 전력 효율을 향상시킴으로써 EV의 주행 거리를 연장할 수 있다. EV 트랙션 인버터에 SiC 전원 스위치 채택이 점점 더 늘어나면서 디지털 절연 기술은 중요한 연결 고리 역할을 하고 있다.

 

한편으로 자동차 회사들은 가능한 모든 전원 모니터링 및 제어 디바이스를 사용해서 성능과 효율을 극대화하기 위해서 애쓰고 있다. 이를 통해 본격적인 EV 보급을 위해 남아 있는 마지막 걸림돌을 제거할 수 있을 것으로 보인다. 그것은 바로 전기차 주행 거리와 가격대다. 이는 환경을 보호하고 더 나은 미래를 실현하는 데 기여할 것이다. 




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