공장 자동화 장비, 그리드 인프라 애플리케이션, 모터 드라이브, 전기차(EV)와 같은 고전압 산업용 및 차량용 시스템은 수백에서 수천 볼트를 발생시킬 수 있다. 하지만 이는 인간에 대한 중대한 안전 위험을 제기하고 장비 수명을 단축할 수 있다. 본 기고문에서는 솔루션 크기와 비용을 줄이는 한편 안정성 강화를 위한 최신 절연 기술을 활용하여 고전압 시스템을 안전하게 유지하는 방법에 대해 다루겠다.
절연 방법
집적회로(IC)는 전력, 아날로그 신호 또는 고속 디지털 신호가 절연 장벽을 넘어 전달될 수 있도록 하는 한편 DC 전류와 저주파 AC전류를 차단함으로써 절연을 실현한다. 그림 1은 절연을 실현하는 데 사용되는 3가지 주요 반도체 기술인 광학(옵토커플러), 전기장 신호 전달(용량성), 자기장 결합(변압기)을 보여준다.
(a)
(b)
(c)
그림 1. 반도체 절연 기술: 옵토커플러(a), 용량성(b), 변압기(c)
TI는 폭넓고 다양한 절연 IC 포트폴리오로 제공되는 최고 수준의 안정성, 통합, 성능을 달성하기 위해 고급 패키징 및 프로세스 기술과 함께 용량성 절연 기술과 독점적인 통합 평면 변압기(자기 절연)를 활용한다.
안정적인 절연 기술을 통해 고전압 설계 과제 극복
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일반적인 고전압 갈바닉 절연 문제와 방법, 솔루션 크기와 비용을 줄이는 한편 |
용량성 절연
용량성 절연 기술은 유전체의 AC 신호 전달을 기반으로 한다. TI의 용량성 절연체는 매우 높은 절연 내력을 제공하는 SiO2 유전체를 사용하여 만든다. SiO2는 무기 물질이기 때문에 습기와 온도에서도 대단히 안정적이다. 나아가, 다층 커패시터와 다층 패시베이션에 대한 TI의 독점적인 방법론은 어떤 단일 층에서든 고전압 성능의 의존성을 낮추어 절연체 품질과 안정성을 개선한다. TI의 용량성 기술은 2 kVRMS의 동작 전압을 지원하고, 7.5kVRMS의 절연 전압을 견디며, 12.8kVPK의 서지 전압 능력을 갖추고 있다.
자기 절연
자기 절연은 일반적으로 고주파 DC/DC 전력 변환이 필요한 분야에 사용된다. IC 변압기에 결합된 절연의 한 가지 장점은 수백 밀리와트를 넘는 전력을 전달할 수 있다는 것이며, 이 때문에 종종 2차측 바이어스 공급의 필요성이 없어진다. 전력과 데이터를 모두 전달해야 하는 시스템에서는 그림 2와 같이 전력과 신호 요구에 동일한 변압기 권선 코일을 사용할 수 있다. 동일한 통합 변압기 코일에 걸쳐 신호와 전력 전달을 결합하면 솔루션 비용과 크기 모두 최소화할 수 있다. TPSI3050-Q1 및 TPSI3052-Q1은 동일한 변압기 채널에서 결합된 데이터와 전력 전달을 활용한다.
그림 2. 자기 절연을 사용하여 절연 장벽을 넘어 전력과 신호를 모두 안정적으로 전송
TI는 고성능 평면 변압기를 절연된 전력단 및 전용 컨트롤러 다이와 함께 패키징한 독점적인 멀티칩 모듈 접근 방식을 사용한다. TI는 커플링과 변압기 효율을 개선해주는 고성능 페라이트 코어를 사용하거나, 애플리케이션에서 보통 정도의 전력 전달만 필요로 할 때 비용과 복잡성을 줄여주는 에어 코어를 사용하여 이러한 변압기를 만들 수 있다.
솔루션 크기와 비용을 줄이는 한편 절연을 실현
애플리케이션이 다르면 절연에 접근하는 방식도 달라져야 한다. TI의 홈페이지에서 IC가 솔루션 비용과 크기를 줄이는 한편 매우 안정적으로 전기차 및 그리드 인프라 애플리케이션의 고전압 절연 요구를 어떻게 해결할 수 있는지에 대한 몇 가지 예시를 확인할 수 있다.
전기차 애플리케이션
무게는 줄고 토크와 효율은 증가하고 충전 속도는 빨라짐에 따라 전기차의 고전압 배터리 스택이 400V에서 300V, 높게는 1kV 수준까지 높아지고 있다. 배터리 관리 시스템(BMS) 및 트랙션 인버터는 승객과 차량의 안전을 보장하기 위해 800V 도메인을 섀시로부터 절연해야 하는 가장 중요한 2개의 전기차 서브시스템이다.
그림 3의 블록 다이어그램은 절연 게이트 드라이버를 사용해 3상, DC-AC 인버터 구성의 고전압 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT) 또는 실리콘 카바이드(SiC) 모듈을 구동하는 트랙션 인버터의 예시다. 이러한 모듈은 많게는 6개의 IGBT 또는 SiC 스위치를 함께 패키징하므로, 최대 6개의 절연 변압기가 필요하고 6개의 독립적인 게이트-드라이버 IC에 전력을 공급할 수 있다. TI의 UCC14240-Q1은 외부 변압기의 수를 줄여서 PCB 면적을 최소화하는 한편 트랙션 인버터, 게이트 드라이버 바이어스 애플리케이션에서 더 뛰어난 성능을 발휘할 수 있는 이중 출력, 중간 전압, 절연 DC/DC 전원 모듈이다.
그림 3. A typical traction inverter system block diagram. 일반적인 트랙션 인버터 시스템 블록 다이어그램
또한, BMS는 고전압 배터리 단자를 서브시스템에 연결할 때 사전 충전 회로를 사용한다. TI의 5kVRMS TPSI3050-Q1 절연 스위치 드라이버는 더 작고 더 안정적인 솔리드 스테이트 솔루션을 실현하기 위해 기계식 사전 충전 접촉기를 대체할 수 있도록 설계되었다. 또한 최대 5kVRMS까지 강화된 절연, 그리고 시간이 지나면서 열화되는 전자기계식 릴레이보다 10배 높은 작동 수명을 제공한다. 그림 4는 기계식 릴레이와 비교하여 TPSI3050-Q1이 얼만큼의 면적을 절감할 수 있는지를 보여준다.
그림 4. 자기 절연 기반의 솔리드 스테이션 릴레이 드라이버(TPSI3050)를 사용하여 솔루션 크기 축소
그리드 인프라 애플리케이션
그리드 인프라 애플리케이션에서 장비를 손상시키거나 사람을 해칠 수 있는 고전압 서지로부터 보호를 제공하고, 높은 접지 전위차(GDP)와 관련된 상호 연결의 파괴 접지 루프를 없애고, 공통 모드 과도 현상 중에 데이터 무결성을 유지하려면 절연이 반드시 필요하다.
태양 에너지 장비와 전기차 충전기는 200V에서 1,500V 이상의 전압에서 작동할 수 있다. 그림 4는 AMC3330 정밀 절연 증폭기와 TPSI2140-Q1 절연 스위치를 사용해 그리드 인프라 애플리케이션의 절연 저항 모니터링을 제공하는 TI의 고전압 전기차 충전 및 태양 에너지의 절연 모니터링을 위한 AFE 레퍼런스 디자인을 보여준다. 가동 부품이 없기 때문에 이 솔리드 스테이트 릴레이 솔루션은 수십 년 동안 성능 저하 없이 잦은 측정이 가능하다. 또한, 전력과 신호 모두 TPSI2140-Q1 내에서 절연 장벽을 넘어 전달할 수 있으므로, 2차측 바이어스 공급이 필요 없다. 뿐만 아니라 로우 프로파일 SOIC(소형 아우트라인 IC) 패키지로 장치가 제공되기 때문에 솔루션 크기는 포토릴레이 또는 기계식 릴레이 기반 솔루션보다 최대 50%까지 줄일 수 있다.
그림 5. 고전압 전기차 충전 및 태양 에너지의 절연을 위한 AFE 블록 다이어그램
결론
TI는 절연 기술 내에 더 많은 기능을 통합함으로써 엔지니어들이 설계 복잡성과 솔루션 크기 및 비용을 줄이는 한편 전기차와 그리드 인프라 같은 애플리케이션에서 안전을 유지할 수 있도록 지원하고 있다. TI가 아날로그 기능을 추가하기 위해 용량성 및 자기 절연 기술을 어떻게 확장하는지 알아보려면 ti.com/isolationtechnology를 참조한다.
추가 리소스
- TI의 고전압 절연 커패시터의 안정성에 대한 자세한 정보는 [기술백서] “고전압 신호 절연 품질 및 안정성 지원 를 참고하세요
- [애플리케이션 개요] “절연 24V PLC 디지털 입력 모듈 설계를 간소화하는 방법”
- [교육 시리즈] TI Precision Labs – 절연 필수적인 절연 매개 변수, 인증, 그리고 다양한 유형의 절연 IC를 사용한 설계 및 문제해결 방법 알아보기
TI Kilby Labs의 R&D 관리자
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