전기화가 보편화됨에 따라 반도체의 혁신은 전기 자동차, 재생 가능한 에너지원 및 기타 고전압 시스템과 안전하고 안정적으로 상호 작용할 수 있게 한다.
전 세계의 소비 전력이 지속적으로 증가함에 따라, 고전압 기술의 혁신은 설계 엔지니어가 전기 방식 및 재생 에너지 기술의 접근성을 높이는 효율적인 솔루션을 개발하는 데 도움을 주고 있다.
캐넌 사운다라판디안 (Kannan Soundarapandian) TI 부사장 겸 고전압 제품 총괄 매니저는 "1인당 소비 전력이 계속 증가함에 따라, 지속 가능한 에너지의 중요성은 점점 커지고 있다"며, “에너지 소비를 관리하는 방식에 대해 책임을 지는 것은 매우 중요하다. 우리는 1 밀리줄(millijoule, 1000분의 1 줄)만큼의 에너지조차 낭비할 수 없다. 이것이 바로 고전압 기술의 혁신이 에너지 지속 가능성과 성장의 핵심이 되는 이유”라고 말했다.
전력 요구 사항이 증가함에 따라 전기차를 2초 내에 0mph~60mph(60mph)로 가속하려면 상당한 양의 배터리 전력이 필요하다. 열로 인한 손실을 최소화하기 위해 전압 역시 증가해야 한다. 전기차의 배터리에서 트랙션 인버터로 이러한 전력을 전송할 때 흔히 효율성을 위해 더 높은 전압을 필요로 하며, 이는 다른 수많은 고전압 시스템에 대해서도 마찬가지다.
일반적으로 이러한 시스템을 설계하는 것은 비싸고 어려울 수 있지만, 고전압 시스템은 저전압 시스템에 비해 더욱 효율적으로 전송 라인, 케이블 및 선을 통해 여러 유형의 부하로 전력을 저장하고 배포할 수 있다.
예를 들면, 20년 전만 해도 백열 전구가 가정용 조명의 표준으로 사용되었다. 백열 전구는 자주 타버리기 일쑤였고, 전구에서 발산하는 열이 손가락을 다치게 하는 경우도 많았다.
롤랜드 슈펠리히(Roland Sperlich) TI 부사장 겸 인터페이스 제품 총괄 매니저는 "백열 전구는 비효율적이었다"며, “백열 전구는 ‘열(heart)’의 형태로 에너지를 잃었다. 오늘날 LED 전구는 훨씬 오래 사용할 수 있으며, 만져도 뜨겁지 않다. 즉, 더 안전하고 효율적"이라고 말했다.
무엇이 달라졌을까? 바로 전력 밀도의 증가다. 전력 밀도는 더 많은 전력 공급 기능을 더 작은 크기로 통합하여 제공한다. 반도체 기술의 혁신은 GaN(질화 갈륨)과 같은 첨단 물질을 사용하여 인덕터의 크기를 줄이고 장치의 효율성 및 안정성을 높임으로써 엔지니어가 더 적은 전력으로 더 많은 성능을 달성할 수 있게 한다. 오늘날 반도체는 조명 전구 외에도 전기차 및 태양광 어레이부터 AC/DC 전원 어댑터 및 통신 시스템에 이르는 고전압 애플리케이션의 설계를 간소화하고 에너지를 절약하는 데 도움을 주고 있다.
고전압 기술
전기화가 보편화되고 접근성이 높아지면서, 전 세계에 걸쳐 더욱 많은 사람들이 매일 고전압 시스템과 상호 작용하고 있다. 예를 들어, 400V 또는 800V 배터리 팩에서 실행되는 전기차는 충전 시간을 개선하고 주행 범위를 확장하는 고전압 설계를 사용하므로써 전기차 도입을 저해하는 요인들을 없애는 데 도움을 주고 있다.
롤랜드는 “고전압 시스템은 전기차, 재생 가능한 에너지원, 가전 제품, AC/DC 전원 어댑터 및 수많은 응용 분야에서 에너지 효율을 제공한다”며, “지구에 사는 인구 수는 점점 늘고 있으며, 우리는 한정된 자원을 서로 공유하고, 더욱 효율적으로 사용해야 한다. 효율성을 향상시키기 위한 창의적인 방법을 찾는 것은 필수”라고 말했다
TI의 혁신적인 기술은 고전압 시스템의 모든 기능 영역에 걸쳐 안전하고, 효율적이며, 안정적인 솔루션을 제공한다.
- GaN 및 SiC(실리콘 카바이드) 같은 와이드 밴드갭(wide-bandgap) 물질은 고전압 시스템에서 효율적인 전력 변환을 가능하게 하고, 전력 손실을 줄이며 효율성을 높인다. 예를 들어, TI의 절연 게이트 드라이버는 전기차 온보드 충전기 및 트랙션 인버터의 SiC 스위치와 페어링하여 효율성을 높이고 드라이브 시스템의 무게, 크기 및 에너지 낭비를 줄인다.
- 고전압 시스템을 위한 센싱 및 모니터링 기술은 엔지니어가 전압을 정확하게 측정할 수 있게 하므로써 안전과 안정성을 높이는 데 도움을 준다. 이를 통해 설계자는 설계 마진(design margin)을 낮추고 전원 스위치를 최대 용량으로 사용하여 비용을 절감할 수 있다.
- 절연 회로는 인체 안전성에 영향을 주지 않으면서 전원 또는 신호가 장벽 전체에 걸쳐 전송되는 동시에 두 도메인을 전자적으로 분리하여 접지 전위차로부터 회로를 면역하고 잡음 내성을 향상시킨다. TI의 자기 및 정전식 절연 기술은 견고한 절연 장벽으로 안전한 고전압 시스템을 구현한다.
- 저지연 실시간 제어 기술은 GaN 또는 IGBT 스위치를 사용하는 복잡한 전원 토폴로지를 위한 안정적인 제어를 가능하게 하여 고전압 시스템의 견고성과 전력 밀도를 높여준다.
롤랜드는 “고전압 시스템 설계를 어렵게 만든 여러 가지 과제들이 있다"며, “TI는 이러한 과제들을 해결할 수 있는 독보적인 위치에 있으며, 서로 매끄럽게 연동되는 혁신적인 설계와 제조, 테스트 및 조립, 포장 기능을 갖추고 있어 고객이 안전하고 안정적이며 경제적인 제품을 개발할 수 있게 한다"고 말했다.
1 밀리주울(millijoule)은 1000분의 1주울이다. 1주울은 1초 동안 1와트의 전력 에너지를 나타낸다.
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