자동차 고전압 보조 모터 부하 애플리케이션용 지능형 전력 모듈

  • 2017-12-06
  • 글 | 임 성 혁 부장, 온세미컨덕터




집적 스마트 전력 모듈은 연소 엔진에서 전력을 약화하는 기계 구동식 부하를 없앨 수 있는 소형, 고효율 및 고신뢰성의 새로운 모터 드라이브를 구현함으로써 자동차 전력화에서 핵심적인 역할을 수행한다.


점점 까다로워지는 자동차 규제 추세로 인해 마일당 CO2 배출량이 적고 좀 더 경제적인 차량에 대한 수요가 높아지고 있다. 자동차 세금 정책들이 저공해 자동차에 혜택을 줌에 따라 자동차 제조업체들은 연비가 낮지 않은 자동차 브랜드에 불이익을 주는 EU의 평균 차량 배출량 지침과 같은 새로운 법안 준수에 더욱 열심을 내고 있다.

이에 따라 모든 자동차의 평균 CO2 배출량은 130g/km 이하여야 하며 이를 준수하지 않는 제조업체는 판매되는 자동차 대 수마다 초과 배출량에 따른 프리미엄을 지급해야 한다. 그 결과 CO2 배출량은 2021년까지 95 g/km로 감축될 전망이며 이러한 CO2 배출량 저감 규제는 앞으로도 지속해서 강화될 것으로 보인다.

자동차 제조업체들이 더 우수한 연료 효율을 얻기 위해서는 엔진에 의해 구동되던 기존의 주요 서브 시스템을 전기 구동 대체품으로 교체하는 전략을 세워야 한다. 워터 펌프, 오일 펌프, 에어컨 장치, 터보 차저 및 파워 스티어링 장치가 여기에 해당한다. 이렇게 되면 엔진에 가해지는 기계 부하가 낮아짐으로써 연료 연소 시 발생하는 에너지를 차량 주행에 더 많이 사용할 수 있다. 펌프, 팬, 압축기와 같은 기계적 모터 부하를 전기 장치로 대체하면 연료 소모량을 3%~5%까지 줄이는 게 가능해진다.

차량의 전기 에너지가 배터리로부터 공급되고 배터리가 엔진으로부터 구동되는 교류 발전기를 통하여 충전되므로 자동차 업계에서는 모두가 대체 전기 시스템이 가능한 한 효율적이기를 바란다. 그러나 새로운 전기 부하 때문에 전력이 과도하게 소모되어서는 안 되며 전체적인 연비를 극대화하려면 피할 수 있는 에너지 손실을 가능한 한 최소화하도록 설계해야 한다.

또 다른 관심사는 점점 많아지는 전기 구동 시스템이 차량 배선 장치의 크기와 무게에 미치는 영향이다. 자동차 제조업체들은 이 장치가 과도하게 커지고 무거워지지 않도록 효과적인 기술을 필요로 한다.

대체 전기 시스템용 고전압 모터 드라이브의 설계는 자동차 제조업체가 에너지 효율, 물리적인 크기 및 경량화 목표를 달성하는 데에 큰 영향을 미친다.


기존의 설계 전문 기술 활용


자동차 업계는 드라이브를 설계할 때 다른 업계에서 구동 중인 기존의 기술을 활용할 필요가 있다. 예를 들어 가전 시장에서는 수년 동안 에너지 효율 모터 드라이브에 대한 수요가 가장 중요했었다. 서로 다른 기계의 에너지 등급을 비교하는 데에 도움을 주는 제품 라벨링 제도는 소비자의 효율성 수요를 자극했으며 전체 CO2 배출량을 줄이고 개인의 에너지 요금을 낮춰주도록 구매 결정을 할 수 있도록 정보를 제공하기도 했다.

세탁기, 서보 드라이버, 산업용 펌프와 같이 고전력 모터 (0.5 kW~10 kW)가 들어가는 백색 가전제품에서는 가능한 가장 우수한 에너지 등급을 얻기 위해 저렴하고 정교하지 못한 단속 드라이브를 에너지 절감 가변 속도 인버터 드라이버로 대체하는 중이다.

전력 반도체 기술이 발전하고 자속 기준 제어 (FOC) 펌웨어와 같은 지적 재산의 성숙으로 인해 이들 드라이브의 비용이 낮아짐에 따라 가변 속도 드라이브를 갖춘 가전제품은 고급 장비에 국한되지 않고 주류 제품으로 유입되는 추세이다. 선진국의 많은 주택 소유자들이 최신 전자 제품의 가변 속도 드라이브가 주는 혜택을 누리고 있는데 이는 가전제품의 운영 비용이 낮아질 뿐만 아니라 작동 시 소음이 더 적으면서도 다양한 기능을 발휘하기 때문이다.

자동차 업계는 조용하고도 효율성이 아주 높은 모터 드라이브에 매력을 느낀다. 연소 엔진의 전기 구동 모드와 정지 시동 (마이크로 하이브리드) 모드 채택이 증가함에 따라 기존에는 차 실내에서 들리던 엔진 소음이 점진적으로 제거되고 있다. 실내가 조용해진다는 것은 그만큼 최종 사용자가 가장 좋은 체험을 할 수 있도록 전기 모터와 같은 다른 장치에서 나는 소음도 작아져야 함을 의미한다.

가변 속도 제어가 갖는 또 다른 장점은 다양한 가동조건에서 오일 및 냉각제 유량을 엔진의 수요에 맞도록 조정할 수 있다는 것이다. 엔진이 고속에서 작동하다가 운행 중에 기다리는 동안 유휴 상태가 되어야 하는 경우, 기존의 워터 펌프는 이와 동시에 감속한다. 전기 제어식 가변 속도 펌프는 엔진 내부의 열 조건에 따라 이상적인 속도로 냉각제를 이동시키도록 프로그램이 가능하므로 엔진의 냉각 프로파일을 최적화하기 위해서는 엔진이 꺼진 후에도 계속 작동할 수 있다.


파워-모듈 집적


인버터 방식 드라이브는 단순한 정속도 드라이브보다 더 복잡하다. 이 드라이브는 FOC 알고리즘을 실행하는 컨트롤러, 3상 브리지에서 IGBT 또는 MOSFET 최대 6개까지 전류를 모터 상으로 구동시키는 데에 필요한 파워 트랜지스터 브리지용 고전압/저전압측 게이트 드라이버를 비롯해 전압 서지, 단락 전류, 및 과도한 온도와 같이 잠재적으로 파괴력이 있는 위험으로부터 전력 장치와 시스템을 보호하기 위한 보호 회로로 이루어진다.

자동차 제조업체들이 향후 차대 내에 필요한 추가적인 회로를 잘 끼워 넣으려면 모터 드라이브와 같이 제어 모듈을 더 높이 집적해야 한다. 실제로, 집적은 공간 절약뿐만 아니라, 저비용, 신뢰성 증가, 및 신제품의 시장 출시 기간 단축 등에도 매우 유용하다.

가전제품 업계에서 모터 드라이브 설계와 관련하여 얻은 기존의 경험들은 이러한 요건을 충족시키는 데에 도움이 될 수 있다. 가전제품 시장에서 채택되어 온 기술들은 지능형 전력 모듈 (IPM)의 출현을 가져왔다. 이 모듈은 최첨단 제조 및 패키징 기술을 활용해 고전압, 고전력 회로 및 논리 회로 등을 모두 하나의 소자에 결합시킨다.

IPM은 필수적인 게이트 드라이버 및 보호 회로와 같은 모듈 안에 브리지의 고전압 전력 실리콘을 집적시킨다. 이렇게 했을 때 모터 구동 시스템 설계 시 누릴 수 있는 장점으로는 우선 고객사들이 DBC 기술에 기반을 두어 극히 낮은 Tj 성능을 달성할 수 있다는 점이다. 또한, 전력단의 설계도 단순화시킨다. 이것이 없었다면 엔지니어는 추가로 논리 및 전력 회로를 구성해야 하는데 이들을 한 시스템으로 성공적으로 집적시키기 위해서는 모든 프로토타이핑을 처리해서 보호 회로를 설계해야 할 것이다. 그러나 이러한 작업은 간단하지 않으므로, 즉시 사용 가능한 솔루션이 아주 중요하다.

운전자 전력단 회로 전체를 단일 모듈 안에 집중시키는 것은 또한 개별적인 부품 소자들로 이루어진 솔루션보다 훨씬 더 공간 효율적이다. 모듈은 설치 공간 점유율이 더 작을 뿐 아니라 일반적으로 탑재 높이도 더 낮다. 더 적은 숫자의 개별 부품들이 배치, 연결되므로 전체적인 신뢰성도 높아진다.

자동차 애플리케이션 수요의 충족

온세미컨덕의 FAM65V05DF1 Auto IPM Smart Power Module의 출시는 차세대 자동차 인증(AECQ100/101) 집적 전력 모듈 출현의 신호탄이다. 이 모듈에는 전력 스위치 6개로 구성되는 3상 브리지가 들어가 있는데 각각의 스위치는 650V 고효율 필드 스톱 트렌치 (field stop trench) 단락 비율 IGBT 및 소프트 복구 특성을 제공할 뿐 아니라 역회복 전류가 낮은 프리 휠링 다이오드를 결합한다.

자동차 업계는 상대적으로 단면적이 작으면서도 가벼운 전력 도체를 사용해 저전류에서 전력을 전기 부하로 분산시키는 고전압 버스 채택을 선호하는 추세이다. 따라서 IGBT의 650 V 정격은 충분한 안전 여유를 가지고 최대 약 200-400 V까지 버스 전압에서 작동할 수 있다.


(그림 3)에 나타낸 것과 같이 개별적인 단일 채널 고전압 IC (HVIC) 3개는 고전압측 IGBT 게이트를 제어하며 출력 채널이 3개인 단일 저전압 IC (LVIC)는 저전압측 IGBT 게이트를 제어한다.

FAM65V05DF1의 LVIC 및 HVIC는 게이트 구동 전압이 부족할 경우 IGBT를 보호하기 위해 개별적인 부족 전압 록아웃 (UVLO) 회로를 구현한다. LVIC에서는 과전류 보호회로가 구현되는데 이는 소자를 갑자기 끄는 대신에 게이트 전압을 감쇠시킴으로써 잠재적으로 손상을 줄 전압 서지로부터 IGBT를 보호하는 소프트 턴오프 기능이다.


열 보호를 조정하기 위하여 사용하는 모듈의 온도 센서도 LVIC에 집적된다. 또한, LVIC는 오류 출력 (fault output) 기능을 통해 시스템 차원의 보호를 활성화해 최적의 신뢰성을 얻을 수 있다.

자동차에 있어서 모듈의 열 성능은 지극히 중요하다. 특히 엔진 가까이 또는 엔진 상에 위치한 모듈 주변으로 최대 온도가 아주 높을 수 있으므로 적어도 보증 기간 동안 및 그 이후에도 더 오랫동안 신뢰성이 보장되어야 한다. 그뿐 아니라 크기와 비용도 고려해야 할 사항이다.
직접 접합식 구리 (DBC) 기판은 열 관리에 효율적인 저비용 솔루션이다. Auto IPM에서는 IGBT 및 프리 휠링 다이오드 다이가 DBC 기판에 곧바로 부착된다. 그러므로 전력 다이에서 발생하는 열은 방열 목적의 히트싱크를 부착할 패키지의 가장자리에서 효율적으로 방출할 수 있다.

전력 반도체, 드라이버 및 보호 회로를 모두 하나의 모듈에 통합시킨 3상 브리지 및 드라이버는 44 x 26 mm의 크기로 구현된다. 이에 따라 개별적인 자동차 인증 부품 (개별 IGBT + 외부 3상 게이트 드라이버 등)를 사용해 구현되는 기존 컨트롤러보다 무려 PCB 공간의 30%가 절약된다.

연소 엔진 효율을 지속적으로 높이기 위한 필수 요건이 강화됨에 따라 에너지 효율적인 집적 고전압 전력 모듈은 일반적으로 엔진 크랭크에 의하여 구동되어 전력을 약화하는 기계식 액추에이터에 비해 크기가 작고 저렴하며 신뢰도 높은 전기적 대안을 제공하는 핵심 요소이다.

이 모듈은 이미 최근의 가장 우수한 가전제품들에서 입증된 접근법과 유사한 스마트 전력 모듈의 경우에서 보듯이 하나의 소자 안에 전력 스위치, 게이트 구동 및 논리 회로를 결합한다. 여기에 채택된 필드 스톱 트렌치 IGBT, STEALTH 다이오드, HVIC, LVIC 및 DBC 기술 등은 이 차세대 자동차 지능형 전력 모듈이 자동차 업계가 당면한 효율 및 신뢰도 증가와 비용 및 크기 감소와 같은 여러 가지 요건들을 충족시켜주는 중요한 요소들이다.

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