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Other Parts Discussed in Post: UCC5870-Q1, UCC5871-Q1

전기차(EV) 제조업체 간 경쟁이 치열해짐에 따라 전원 시스템 엔지니어는 전력 손실을 줄이고 주행 거리에 영향을 미치고 뛰어난 성능 제공을 위한 트랙션 인버터 시스템 효율성 개선의 과제를 가진다. 효율성은 전력 손실 증감에 따른 결과이며, 따라서 열 성능에 영향을 미치고 결국 시스템 무게, 크기, 비용에 영향을 미칠 수 있다. 전력 손실을 줄이고 효율성을 개선하려는 요구는 높은 전력 수준의 인버터가 개발되고, 특히 전력 레벨과 자동차당 모터 수가 증가함에 따라 계속될 것이다.

절연 게이트 양극성 트랜지스터 (IGBTS, Insulated gate bipolar transistors)는 일반적으로 트랙션 인버터에 사용되었다. 하지만 반도체 기술의 발전으로 실리콘 카바이드(SiC) MOSFET IGBT보다 더 높은 주파수에서 스위칭할 수 있어 저항 및 스위칭 손실 감소를 통해 효율성을 개선하는 동시에 전력 밀도와 전류 밀도를 증가시키고 있다. EV 트랙션 인버터는 특히 100,000kW를 넘는 전력 레벨, 800V의 버스에서 더 많은 SiC MOSFET을 사용하기 시작했다. SiC MOSFET을 구동하려면 안정적인 절연 기술, 높은 구동 강도, 오류 모니터링 및 보호 기능을 갖춘 절연 게이트 드라이버가 필요하다.

트랙션 인버터 시스템의 절연 게이트 드라이버

그림 1의 블록 다이어그램과 같이 절연 게이트 드라이버 집적 회로(IC)는 트랙션 인버터 전력 공급 솔루션의 필수적인 부분으로, 저전압-고전압(입력-출력) 갈바닉 절연을 제공한다. 또한, SiC 또는 IGBT 기반 3상 모터 하프 브리지의 고압측 및 저압측 전력단을 구동하고, 다양한 오류에 대한 모니터링과 보호를 지원한다.


그림 1: EV 트랙션 인버터 블록 다이어그램

SiC MOSFET 밀러 플래토(Miller plateau)와 고강도 게이트 드라이버의 이점

특히 SiC MOSFET의 경우, 게이트 드라이버 IC는 턴온 및 턴오프 에너지를 포함하여 스위칭 및 전도 손실을 최소화해야 한다. MOSFET 데이터시트는 게이트 차지 특성을 포함하며, 그림 2와 같이 이 곡선에는 밀러 플래토(Miller plateau)라는 평평한 수평 구간이 있다. MOSFET ON OFF 상태 사이에서 더 많은 시간을 소비할수록 더 많은 출력 손실이 발생한다.

그림 2 MOSFET 턴온 특성과 밀러 플래토

SiC MOSFET이 전환되면, 게이트-소스 전압(Vgs)이 게이트-소스 임계 전압(Vgsth)을 통과하고 밀러 플래토 전압(Vplt)으로 클램핑되며 전하와 커패시턴스가 고정되어 있기 때문에 이곳에 머무른다. MOSFET이 스위칭하려면 충분한 게이트 전하를 추가하거나 제거해야 한다. 절연 게이트 드라이버는 MOSFET 게이트를 높은 전류로 구동하여 게이트 전하를 추가 또는 제거해야 하며 스위칭을 통해 전력 손실을 방지해야 한다. 절연 게이트 드라이버로 추가/제거할 필수 SiC MOSFET 전하를 보여주는 아래 방정식과 같이 MOSFET 게이트 전류는 게이트 전하에 비례한다.

Qgate = Igate*tsw

여기서 Igate는 절연 게이트 드라이버 IC 전류이고 tsw MOSFET의 턴온 시간이다.

출력 수준이 150kW 이상인 트랙션 인버터 애플리케이션에서 절연 게이트 드라이버는 높은 슬루 레이트에서 SiC FET를 밀러 플래토를 통해 스위칭하고 더 높은 스위칭 주파수를 활용하려면 구동 강도가 10A를 넘어야 한다. SiC FET는 더 높은 스위칭 속도를 가능하게 하는 더 낮은 역회복 전하(Qrr)와 더 안정적인 온도 과부하 온저항(Rds(on))을 갖추고 있다. MOSFET이 밀러 플래토에 머무는 시간이 짧을수록 전력 손실과 자체 발열이 낮아진다.

TI의 UCC5870-Q1 UCC5871-Q1은 기본 또는 강화 절연을 사용하고 MCU에 대한 통신 오류를 위한 SPI 디지털 버스를 갖춘 고전류 기능 안전 규격 30A 게이트 드라이버이다. 그림 3 UCC5870-Q1과 경쟁 게이트 드라이버 간의 SiC MOSFET 턴온 비교를 보여준다. UCC5870-Q1 절연 게이트 드라이버는 39A에서 정점을 찍고 밀러 플래토 사이로 30A의 전류를 유지하므로, 훨씬 더 빠른 턴온이 가능하므로 바람직한 결과라고 할 수 있다. 이는 두 드라이버 간의 파란색 VGATE 파형 램프 비교를 통해서도 알 수 있다. 10V의 밀러 플래토 전압에서 UCC5870-Q1의 구동 전류는 30A인 반면 경쟁 게이트 드라이버 전류는 8A이다.


그림 3: SiC FET를 켤 때 TI의 절연 게이트 드라이버와 타사의 절연 게이트 드라이버 비교

절연 게이트 드라이버의 전력 손실

게이트 드라이버 밀러 플래토 비교는 그림 4와 같이 게이트 드라이버의 스위칭 손실과도 관련이 있다. 이 비교에서 드라이버 스위칭 손실 차이는 최대 0.6W에 이른다. 이러한 손실은 인버터의 전체 전력 손실에 기여하고, 고전류 게이트 드라이버의 필요성을 강화한다.

그림 4: 게이트 드라이버 스위칭 손실과 스위칭 주파수 비교

열 방출

전력 손실은 온도 상승을 초래하여 열관리를 복잡하게 할 수 있으며 이 경우 히트싱크(heatsink)나 더 두꺼운 PCB 구리 레이어를 필요로 하게 된다. 높은 구동 강도는 게이트 드라이버 케이스 온도를 낮추고, 게이트 드라이버 IC 온도를 낮추기 위한 더 비싼 히트싱크 또는 추가 PCB GND 레이어의 필요성을 줄이는 데 도움이 된다. 그림 5와 같이 온도 비교의 경우 UCC5870-Q1은 밀러 플래토 사이로 스위칭 손실이 감소하고 구동 전류가 증가하므로 작동 온도가 15°C 더 낮아진다.


그림 5: SiC FET를 구동하는 경쟁업체 드라이버와 비교한 UCC5870-Q1의 열 방출 

결론

전기차 트랙션 인버터의 전력이 150kW 이상으로 높아질 때는 밀러 플래토를 통해  전류 강도가 최대인 절연 게이트 드라이버를 선택하면 SiC MOSFET 전력 손실을 줄이고 더 빠른 스위칭 주파수를 실현할 수 있으며 이것이 전력 시스템 결정의 핵심이 되어야 한다. UCC5870-Q1 UCC5871_Q1의 ±30A 기능 안전에 부합하는 드라이버는 설계 구현에 도움이 되는 다양한 설계 지원 도구와 함께 제공된다. 

추가 리소스

조지 락카스(George Lakkas), TI 제품 마케팅 엔지니어

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