전기차(EV)와 하이브리드 전기차(HEV)는 차량 내부의 전자장치와 함께 변화하고 있다. 이들 차량의 전체 형태와 기능에서 중요한 역할을 하는 전자장치의 양은 늘고 있지만 운전자는 바뀌지 않았습니다. 운전자는 차량이 멈추지 않고 더 먼 거리를 주행하고 가격은 더 합리화되고 충전은 더 빨라지고 안전하게 차량을 유지할 수 있기를 기대한다. 그렇다면 엔지니어들이 어떻게 하면 더 적은 비용으로 더 많은 기능을 제공할 수 있을까?
안전, 전력 밀도, 전자기간섭(EMI)에 대한 요구사항이 더욱 엄격해짐에 따라, 이러한 각 임계 하중에 대한 개별 바이어스 전원을 갖춘 분산형 전원 아키텍처를 포함해 다양한 전원 아키텍처가 등장하고 있다.
전기차의 전통적인 바이어스 전원 아키텍처
자동차 설계 엔지니어들은 전기차의 전원 공급 요구사항에 기반한 특정한 전원 아키텍처의 체계를 설계할 수 있다. 그림 1에 나온 전통적인 접근 방식은 중앙 집중식 전원 아키텍처로, 중앙 변압기 1개와 싱글 바이어스 컨트롤러를 사용하여 모든 게이트 드라이버에 필요한 바이어스 전압을 생성한다.
그림 1: HEV/EV 트랙션 인버터의 중앙 집중식 아키텍처
중앙 집중식 아키텍처는 비용이 저렴해서 예전에는 인기 있는 솔루션이었지만 고장 관리와 전압 조절이 어려울 뿐 아니라 레이아웃 역시 힘들 수 있다. 또한 중앙 집중식 아키텍처는 소음이 심할 수 있으며, 시스템의 한 영역에 키가 크고 무거운 부품이 들어간다.
마지막으로, 안정과 안전성이 우선순위가 됨에 따라 중앙 집중식 아키텍처의 전원 공급에 예비 전력이 부족해져서 바이어스 전원에서 단일 부품이 고장 날 경우 큰 시스템 장애를 일으킬 수 있다. 따라서 전원 공급 고장 방지를 위한 분산형 아키텍처를 구현하면 안정적인 시스템을 달성할 수 있다.
분산형 아키텍처를 통해 높은 안정성 실현
자동차가 시속 65마일로 달리고 있을 때 트랙션 인버터 모터의 작은 전자 부품에 문제가 생긴다면, 차가 갑자기 완전히 멈추거나 엔진 출력을 줄이기를 원하는 경우는 없을 것이다. 이제 파워트레인 내 대체 예비 전원은 안전과 안정성을 보장하기 위한 규범이 되었다.
분산형 전원 아키텍처는 각 게이트 드라이버에 조절이 잘 되는 전용 로컬 바이어스 전원을 가까이 배정하여 전기차 환경의 안정성 표준을 충족한다. 이 아키텍처는 예비 전력을 제공하여 단일 지점 장애에 대한 시스템의 대응 방식을 개선한다. 예를 들어 게이트 드라이버에 페어링된 바이어스 전원 하나가 고장 나더라도 남은 5개 바이어스 전원이 이들과 페어링된 게이트 드라이버와 마찬가지로 계속 작동한다. 6개 게이트 드라이버 중 5개가 계속 작동하면 모터가 잘 제어된 방식으로 느려지다가 멈추거나, 아니면 무기한으로 작동할 가능성도 있다. 차량 내 승객은 이러한 전원 시스템 설계 덕분에 혼란조차 인지하지 못할 수 있다.
플라이백과 푸시-풀 컨트롤러 같은 외부 변압기 바이어스 전원은 높이와 무게, 면적 모두 커서 경량 전자 제품에 분산형 아키텍처를 사용하기가 어렵다. 특히 EV 전원 시스템에는 UCC14240-Q1 절연 DC/DC 바이어스 전원 모듈과 같이 더 선진화된 더 작은 통합 변압기 모듈이 필요한데, 이 모듈은 변압기와 부품을 높이가 낮은 평판형 자기소자가 있는 하나의 최적화된 모듈 솔루션에 통합한다.
집적회로(IC) 크기의 패키지에 평면 변압기를 통합하면 전원 시스템의 크기, 높이, 무게를 대폭 줄일 수 있다. UCC14240-Q1은 변압기와 절연의 통합을 통해 간편한 제어와 낮은 1차-2차 커패시턴스를 제공하여 전환이 빠른 고집적 애플리케이션에서 공통 모드 과도응답 내성(CMTI)을 개선한다. 1차측 및 2차측 제어를 절연과 완전히 통합하면 하나의 디바이스에 조정된 ±1.3% 절연 DC/DC 바이어스 전원이 모두 실현된다. 심지어 최대 105°C까지 1.5W의 출력 전원을 달성하는 UCC14240-Q1은 그림 2와 같이 분산형 아키텍처의 게이트 드라이버에 동력을 공급할 수 있다.
그림 2: UCC14240-Q1을 사용한 EV/HEV 트랙션 인버터의 분산형 아키텍처
분산형 아키텍처에서 파워트레인 시스템을 구동하기 위한 기타 고려 사항
전기차에는 높은 기준의 안정성과 안전이 요구되며, 이러한 요구사항은 결국 개별적인 전력 변환 전자장치로 귀결된다. 특히, 부품은 125°C 이상의 주변 온도에서 통제되고 검증된 방식으로 작동해야 한다. 절연 게이트 드라이버는 “스마트”하며 여러 가지 안전 및 진단 기능을 포함합니다. 시스템의 게이트 드라이버와 기타 전자장치에 동력을 공급하는 저전력 바이어스 전원은 낮은 EMI를 달성할 방법을 포함한 솔루션이 필요하다. UCC14240-Q1은 TI의 통합 변압기 기술과 낮은 3.5-pF 1차측-2차측 커패시턴스 변압기를 활용하여 고속 스위칭으로 야기된 EMI를 완화하고 150V/ns 이상의 CMTI를 수월하게 달성할 수 있다.
분산형 아키텍처에서는 바이어스 전원과 절연 게이트 드라이버가 인접해서 더 간편한 인쇄회로기판 레이아웃을 보장하고, 게이트 드라이버에 동력을 공급하고 궁극적으로 전원 스위치의 게이트를 구동하는 전압이 더 잘 조정된다. 이러한 요인은 보통 100kW~500kW에서 작동할 수 있는 트랙션 인버터의 효율성과 안정성을 높여준다. 또한, 열응력이 부품 고장의 주요 원인 중 하나이기 때문에 이러한 고전력 시스템은 최소한의 열 손실을 보장하기 위해 최고의 효율성을 요구한다.
전기차 전원 시스템이 더 높은 전력으로 이동함에 따라 이제 더 작고 더 효율적인 전원 공급 장치를 지원하는 실리콘 카바이드 및 질화 갈륨 전원 스위치를 고려할 때가 되었다. 두 반도체 기술 모두 여러 이점이 있지만, 기존의 절연 게이트 양극 트랜지스터(IGBT)보다 더 엄격하게 조정되는 게이트 드라이버 전압이 필요하다. 또한, 이전에 가능하다고 생각했던 것보다 더 빠른 에지 속도로 높은 전압을 전환하기 때문에 안전 절연 장벽에서 낮은 커패시턴스와 높은 CMTI를 제공하는 부품도 필요하다.
전기차의 안정적인 장기적 미래를 위해
배출량이 적고 주행거리가 길고 안전과 안정성이 더 개선되고 더 적은 비용으로 더 많은 기능을 갖춘 차량에 대한 운전자의 요구는 계속될 것이다. 전원 아키텍처와 관련 절연 게이트 드라이버 및 바이어스 전원의 혁신을 포함하여 전원 전자장치의 발전만이 이러한 요구를 실현할 수 있다.
분산형 전원 아키텍처로의 흐름은 절연 고전압 환경의 안정성을 크게 증대할 수 있지만 부품 추가에 따른 크기 및 무게 증가라는 문제가 따라온다. 높은 주파수에서 전환되는 UCC14240-Q1 바이어스 전원 모듈과 같이 완전히 통합된 전원 솔루션은 시스템 수준에서 공간과 무게 모두 줄일 수 있다.
추가 리소스
- 백서 살펴보기
- UCC14240-Q1 데이터 시트 다운로드
- UCC5870-Q1 데이터 시트를 다운로드
- 기술 기고문 “얇은 절연 전원 솔루션의 가치”
존 스티븐스 (John Stevens), 마케팅 및 애플리케이션 엔지니어링 책임자
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