조지 락카스 (George Lakkas), 제품 마케팅 엔지니어
트랙션 인버터는 전기차에서 배터리 전력을 소모하는 주된 장치로서 그 출력 레벨은 150kW 이상에 이를 수 있다. 트랙션 인버터의 효율성과 성능은 전기차의 1회 충전당 주행 거리에 직접적인 영향을 미친다. 따라서 차세대 시스템을 대비하기 위해서 업계는 SiC(실리콘 카바이드) FET(전계 효과 트랜지스터)를 널리 채택함으로써 더 높은 신뢰도, 효율성 그리고 전력 밀도를 높이기 위해 노력하고 있다.
그림 1에 도시된 절연 게이트 드라이버 IC는 저압-고압 간 갈바닉 절연 기능을 수행하며 SiC 인버터의 각 상에 대한 상측 및 하측 전력단을 구동하며 인버터의 다양한 고장 조건을 모니터링하고 인버터를 보호한다. ASIL 기능 안전 요건에 따라 차량 기능 안전 ISO26262 표준을 준수하는 게이트 드라이버는 일회성 고장 및 잠재 고장에 대해서 각각 고장 감지율 99% 및 90% 이상을 보장한다.
본 기고문에선 실시간 가변 게이트 드라이브 강도의 이점에 대해 다룰 예정인데, 이 새로운 기능을 통해서 설계자들은 전기차의 주행 거리에 영향을 미치는 효율성과 신뢰도에 영향을 미치는 SiC 오버슈트와 같은 시스템 매개변수를 최적화할 수 있다.
그림 1: EV 트랙션 인버터 블록 다이어그램
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실시간 가변 게이트 강도를 이용해 더 높아진 효율성
게이트 드라이버 IC는 SiC FET를 가능한 한 효율적으로 작동시켜야 하는 동시에 스위칭 전력 손실을 최소화해야 한다. 게이트 드라이브의 현재 강도를 제어 및 조절함으로써 스위칭 손실을 줄일 수 있지만 스위칭 중 스위치 노드에서 과도 오버슈트를 증가시키는 단점이 있습니다. 게이트 드라이브 전류를 조절하면 그림 2와 같이 SiC FET의 슬루율을 제어할 수 있다.
그림 2: 게이트 드라이버 IC 드라이브 강도 가변을 통한 SiC 슬루율 제어
게이트 드라이브 전류의 실시간 가변을 통해서 과도 오버슈트를 제어할 수 있을 뿐만 아니라 고압 배터리 에너지 주기 내내 디자인 최적화가 가능하다. 또한, 충전상태 100~80%의 완충 배터리는 낮은 게이트 드라이브 강도를 사용해서 SiC 전압 오버슈트를 한도 내로 유지할 수 있다. 배터리 충전상태가 80%에서 20%로 떨어졌을 때 높은 게이트 드라이브 강도를 사용하면 스위칭 손실을 줄이고 트랙션 인버터의 효율성을 높일 수 있다. 이러한 시나리오는 충전 주기의 75% 동안 가능하기 때문에 그 효율성 이득은 상당할 수 있다. 그림 3은 배터리 피크 전압과 충전 상태에 따른 전형적인 과도 오버슈트를 나타내고 있다.
그림 3: 배터리 피크 전압과 충전 상태 대비 과도 오버슈트
UCC5880-Q1은 20-A 게이트 드라이버로서 자동차용 트랙션 인버터를 위한 최신 보호 기능을 갖추고 있다. 게이트 구동 강도는 5A ~ 20A 사이에서 가변적이며 이는 4-MHz 양방향 SPI버스 또는 세 개의 디지털 입력 핀을 통해서 이루어진다. 그림 4의 회로도는 이중 분할 출력을 통한 게이트 드라이브 강도의 가변을 나타내고 있다.
그림 4: UCC5880-Q1의 이중 출력 분할 게이트 드라이브 구조
DPT를 사용한 전력단 스위칭 평가
트랙션 인버터의 전력단 스위칭 성능을 평가하는 표준적인 방법은 DPT(이중 펄스 테스트)인데, 이는 SiC 전원을 다양한 전류 조건에서 켜고 끄는 식으로 이루어진다. 스위칭 시간에 변화를 주면 작동 조건에 따라 SiC 턴온 및 턴오프 파형을 제어 및 측정함으로써 신뢰도에 영향을 주는 효율성과 SiC 오버슈트에 대한 평가를 촉진하게 된다. 그림 5는 UCC5880-Q1 가변 강도 게이트 드라이버 및 SiC 하프 브리지와 하측 DPT 설정을 나타내고 있다.
그림 5: 하측 DPT 블록 다이어그램
표1에 제시된 결과는 가변 강도 SiC 게이트 드라이버를 통해서 어떻게 오버슈트를 제어하면서도 효율성을 극대화하고 열 성능을 최적화하는지를 보여준다. EON 및 EOFF는 각각 턴온 및 턴오프 스위칭 에너지 손실을 나타내며, VDS,MAX는 최대 전압 오버슈트, TOFF 및 TON 과도 전압(dv/dt)은 턴온 및 턴오프 중 VDS의 전압 슬루율을 각각 나타낸다.
표 1: DPT 요약(800-V 버스, 540-A 부하 전류, 왼쪽에서 오른쪽 기준 최고에서 최저까지의 게이트 드라이브)
오버슈트 완화
그림 6의 파형은 UCC5880-Q1 게이트 드라이브 저항 및 드라이브 강도가 실시간으로 제어되는 동안 SiC 오버슈트에 대한 가변 게이트 드라이브 강도의 효과를 나타내고 있다. 낮은 게이트 드라이브(SiC 턴오프)는 전력단 오버슈트를 완화한다.
(a)
(b)
그림 6: SiC 오버슈트에 대한 실시간 가변 게이트 드라이브 강도의 효과: SiC 강 드라이브 턴오프(a), SiC 약 드라이브 턴오프(b)
또한, 표 2는 비교를 위해 실제 측정치를 제시하고 있다. 시스템 기생 요소와 노이즈 제어 목표에 따라 오버슈트, dv/dt 그리고 스위칭 손실 간의 적절한 균형을 맞출 수 있다.
표 2: 게이트 드라이브 강도 대비 Sic FET 슬루율 대비 오버슈트 결과 대비 에너지 손실
주행 거리 증대
UCC5880-Q1의 강력한 게이트 구동을 사용해서 SiC 스위칭 손실을 줄임에 따른 효율성 이득은 트랙션 인버터의 전력 레벨에 따라 상당할 수 있다. 그림 7과 같이 WLPT(국제표준배출가스시험) 그리고 실제 운행 로그 속도 및 가속도 설정을 통한 모델링 결과 SiC 전력단 효율성 이득은 2%가량 되며 이는 배터리당 주행 거리를 7마일(약 11km) 이상 확보할 수 있음을 의미한다. 7마일(약 11km)은 운전자가 충전기에 도착하는지 또는 도중에 멈춰 서는지를 결정할 수 있을 만큼 의미 있는 거리라고 할 수 있다.
그림 7: WLPT 및 실제 로그 속도 및 가속도 히스토그램
UCC5880-Q1은 또한 SiC 게이트 전압 임계값 모니터링 기능을 포함하고 있어서 시스템의 수명 내내 전기차가 키온(key-on)될 때마다 임계 전압을 측정하고 마이크로컨트롤러에 전원 스위치 데이터를 제공하여 전원 스위치 고장을 예측할 수 있도록 한다.
마무리
EV 트랙션 인버터의 출력 레벨이 300kW에 달함에 따라 높은 신뢰도와 효율성은 필수다. 실시간 가변 게이트 드라이브 강도 기능이 있는 SiC 절연 게이트 드라이버를 선택하는 것이 그러한 목표를 달성하는 데 도움이 된다. UCC5880-Q1은 설계를 지원하는 평가 보드, 사용자 설명서 그리고 기능 안전 매뉴얼을 포함한 설계 지원 툴이 함께 제공된다.
기타 리소스
- 기술 기고문: “트랙션 인버터 - 자동차 전동화의 원동력”
- 기술 백서: “EV 트랙션 인버터 시스템의 안전성 개선”
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