[기고] 자동차 48V 시스템을 구동하기 위해 필요한 것

  • 2020-08-06
  • 글 / 알렉산드라 코지착*, 애플리케이션 엔지니어 크리스토퍼 스필먼**, 선임 시스템 애플리케이션 엔지니어 인피니언 테크놀로지스


48V 마일드 하이브리드 2025년 2050만 대로 증가

자동차 전기화라고 하면 흔히 배터리 전기차를 떠올릴 것이다. 하지만 앞으로 몇 년 간은 48V 마일드 하이브리드가 시장을 지배할 것으로 예상된다. 48V 시스템을 사용함으로써 배기가스를 줄이고 편의성과 성능을 높일 수 있다. 이 글에서는 다양한 48V 애플리케이션에 적합한 인피니언의 새로운 MOSFET 제품들을 소개한다.


글 / 알렉산드라 코지착*, 애플리케이션 엔지니어 크리스토퍼 스필먼**,
선임 시스템 애플리케이션 엔지니어 인피니언 테크놀로지스



자동차 시장이 빠르게 변화하고 있다. 지속적으로 편의 기능들을 추가해서 운전자 경험을 향상시키고, 새로운 안전성 및 운전자 지원 시스템을 사용해서 차를 더 안전하게 만들고 있다. 한편으로 환경 오염, CO₂ 배출, 대도시의 스모그 문제와 관련해서 미래의 자동차에 친환경적이며 효율적인 솔루션이 요구되고 있다.



자동차 회사들이 다수의 전기 자동차 신차 모델을 출시하고 있으며, 연구자들은 주행 거리를 늘릴 수 있는 배터리 개발에 매진하고 있다. 그런데 현재 자동차 분야에 또 다른 트렌드가 대세가 되고 있다. 그림 1은 전기 추진 시스템의 성장 전망을 보여주는 것으로서, 앞으로 몇 년 간 48V 마일드 하이브리드 전기차(MHEV)가 성장 잠재력이 가장 크다는 것을 알 수 있다. 48V 마일드 하이브리드가 2018년에 30만 개 시스템에서 2025년에 2050만 개로 증가할 것으로 전망된다.

전력은 높이고 CO₂는 줄이고

전세계적으로 CO₂ 배출 규제가 갈수록 엄격해지고 있다. 유럽에서는 2030년까지 자동차 회사가 생산하는 전체 차량에 대해서 평균 CO₂ 배출을 2021년까지 95g/km로 줄이고 2030년까지는 다시 59g/km로 줄여야 한다. 여타 지역들에서도 자동차 회사들이 마찬가지의 요구에 직면하고 있다.

48V 보드 넷은, 전자 시스템의 효율을 높이고 총 CO₂ 배출을 줄일 수 있는 간단하면서도 효과적인 솔루션을 제공한다. 예를 들어서 48V 통합형 또는 벨트 구동 스타터 제너레이터는 전력대가 30kW까지 이를 수 있게 되었다. 그럼으로써 12V 시스템을 사용할 때보다 스타트-스톱 시스템이 내연 엔진을 더 자주 그리고 더 긴 시간 동안 정지시킬 수 있게 되었다. 또한 48V 스타터 제너레이터는 가속을 끌어올릴 수 있고 그럼으로써 내연 엔진에 부하를 낮출 수 있다. 제동 시에는 12V 시스템에 비해서 더 많은 운동 에너지를 회수할 수 있다.

미래의 배출 요건 충족

CO₂뿐만 아니고, 당국에서는 경유 및 휘발유 승용차에 대해서 탄화수소, 질소 가스, 미세먼지 같은 여타 배출도 규제하고 있다. 유럽에서는 현재 Euro 6 표준에서 이들 물질에 대한 배출 한계를 정하고 있다. 승용차에 대해서 최초의 EU 배출 표준은 1992년과 1993년에 제정되었다. 뒤를 이어서 1996년과 1997년에 Euro 2가 제정되었고, 2000년과 2001년에 Euro 3, 2005년과 2006년에 Euro 4, 2009년과 2011년에 Euro 5가 제정되었다.

첫해 준수는 승인 유형, 즉 제조 허가, 두 번째 해는 새 차량의 실제 첫 등록과 관련이 있습니다. 매 새로운 배출 표준이 제정될 때마다 한계 요건이 엄격해지고 있다. 아직 세부적 내용이나 발표 일자는 알려지지 않았으나, 2021년에 새로운 Euro 7 표준이 발표되고 더 엄격해진 한계 요건을 적용할 것으로 예상된다.

48V 시스템은 e-촉매장치에 더 강력한 히팅 시스템을 가능하게 하므로 경유 차량이 더 엄격한 규정을 충족할 수 있다. e-촉매장치는 유해한 입자들을 더 효과적으로 필터링할 수 있다. 배기 가스의 온도에 의존하는 촉매장치와 달리, 전기 히팅 촉매장치는 저온 시동 시의 배출과 효율적인 변환 온도에 도달하기 위해서 필요한 총 시간을 최소화한다.

프리미엄 기능의 새로운 기준 제시

뿐만 아니라 48V 시스템은 안정성 제어, 전동 스티어링, e-터보, e-컴프레서 같은 고전류 부하로 더 높은 전력을 더 효율적으로 제공할 수 있다. 운전 편의성과 성능을 향상시키고자 많은 프리미엄 자동차 업체들이 이미 48V 시스템을 구현하고 있다. 전복 안정성이 대표적인 예일 것이다.

이 애플리케이션은 전력 요구가 매우 높기 때문에, 12V 시스템을 사용해서 이 애플리케이션을 전기화하는 것은 이상적이지 않았다. 48V 시스템을 사용하면 기존의 전복 안정성 기능을 전기화된 강력한 새시 기능으로 전환할 수 있고, 그럼으로써 차가 코너를 돌 때 옆으로 기울어지는 것(전복)을 크게 줄일 수 있다.

48V 시스템에 적합한 전력 MOSFET 선택

많은 자동차 애플리케이션에서 최상의 전력 반도체 솔루션은 전력 MOSFET이다. 가장 규모가 큰 애플리케이션 그룹으로는, 전동 파워 스티어링, 스타터 제너레이터, e-컴프레서, 엔진 냉각 팬 같은 고전력 애플리케이션에서부터 좌석 제어, 와이퍼, 트렁크 도어에 사용되는 것과 같은 소형 DC 모터까지를 포함한 다수의 브러쉬리스 DC 모터를 들 수 있다. 12V 시스템으로는 40V MOSFET을 주로 사용한다. 48V 보드 넷으로는 80V 혹은 100V 전압 정격을 갖는 MOSFET이 필요할 것이다.

48V 시스템의 3가지 대표적인 애플리케이션으로 벨트 구동 또는 통합형 스타터 제너레이터, 12V/48V DC/DC 컨버터, 배터리 차단 스위치를 들 수 있다. 스타터 제너레이터는 연속 전력으로 5kW부터 30kW까지 이르는 매우 높은 전력대를 필요로 하고 순간적으로는 피크 전력이 50kW까지 이를 수 있다. 3위상 인버터를 사용해서 제어하며, MOSFET들을 병렬로 사용해서 더 높은 위상 전류를 제공할 수 있고 총 저항과 전력 손실을 낮출 수 있다.

DC/DC 컨버터 용으로 MOSFET은 높은 스위칭 성능과 낮은 온 저항을 겸비해야 한다. 그럼으로써 스위칭 손실과 전도 손실 둘 다 최적화할 수 있다. 애플리케이션 전력은 3kW까지 이를 수 있으며, 높은 스위칭 손실을 피하기 위해서 다중 위상으로 소형 칩들을 사용해서 95% 이상의 효율을 달성할 수 있다. 최적화된 실리콘 기술을 적용해서 더 작은 게이트 용량으로 스위칭 손실을 낮출 수 있으며, 더 작은 크기의 패키지에서 보다 낮은 용량의 MOSFET을 사용할 수 있다.

배터리 차단 스위치는 동급으로 가장 우수한 전기적 성능과 열 성능을 요구한다. MOSFET을 사용해서 전체 애플리케이션 전류를 제어하고 MOSFET들이 항상 켜져 있으므로, 전압 강하를 최소화하고 배터리로부터 최대 출력을 유지하기 위해서는 스위치들을 병렬로 사용하는 것이 필요하다. 이 용도로는 고성능 MOSFET이 요구된다.

이들 애플리케이션 외에도 e-터보, e-컴프레서, e-서스펜션, AC 컴프레서, 엔진 냉각 팬, 여타 팬과 펌프 같은 보조적 장치들을 48V 배터리로부터 전력을 공급할 수 있다. e-터보나 e-컴프레서 같은 애플리케이션은 전력대가 5kW까지 이를 수 있으며, 마찬가지로 열 성능과 전기적 성능이 높은 MOSFET을 요구한다. 이들 시스템으로는 크기와 무게가 중요하므로, 컴팩트한 솔루션이 필요하다.

이러한 요구를 충족하는 새로운 패키지

48V 애플리케이션에 DPAK, D2PAK, TO-220 같은 잘 알려진 MOSFET 패키지를 사용하는 것도 물론 가능하다. 하지만 반도체 시장이 빠르게 진화하고 고객들의 요구가 높아짐에 따라서 패키지 저항, 인덕턴스, 크기가 상당하다는 점에서 이들 패키지는 새로운 패키지 솔루션에 비해서 불리할 수 있다. 시장은 높은 품질과 견고성, 더 작은 크기와 높은 효율을 요구하고 있다.

48V 애플리케이션의 요구를 충족하기 위해서 인피니언은 고성능 저전압 디스크리트 제품의 TO-리드리스(TOLL)에 기반 한 80V/100V TOLx 제품군을 출시했다. 이 제품군은 TOLL 패키지 외에 TOLG와 TOLT라고 하는 다른 두 패키지 제품들을 포함한다(그림 2).



TOLL은 10mm × 12mm 제품으로 300A DC 전류가 가능하며, 80V 제품51으로 최대 1.2mΩ 및 100V 제품으로 최대 1.5mΩ으로 동급으로 가장 우수한 온(on) 저항을 가지고 있다. 스타터 제너레이터, 배터리 차단 스위치, DC/DC, e-컴프레서 같이 전력 요구가 높은 48V 애플리케이션에 특히 적합하다.

리드리스 패키지는 최적화된 회로 설계를 할 수 있다. 패키지 리드를 제거하여 저항과 인덕턴스 값을 낮추며 패키지 크기를 줄인다. 리드리스 패키지의 견고성은 TCoB(Temperature Cycling on Board) 테스트를 통해서 확인된다. TCoB 테스트는 패키지-보드 상호작용으로 스트레스를 가하고 열 사이클 시의 견고성을 확인하는 것이다. 특히 이 테스트 시에 인피니언은 표준에서 정한 것보다 더 엄격한 테스트 조건을 적용하고 있다. 인피니언은 통상적인 온도 사이클링이 아니라 열 충격 테스트를 실시해서 보드 상으로 리드리스 MOSFET 패키지 성능을 확인하고 있다.

흔히 사용되는 6층의 FR4 보드로 테스트했을 때 TOLL 성능이 11,000회 이상의 사이클에 이르기까지 결함을 일으키지 않으며 모든 알려진 고객 요구와 산업 표준을 상회해서 충족한다(그림 3).



다양한 보드, 다양한 패키지


자동차 시스템 업체들은 가장 흔하게 사용되는 FR4 외에 다른 보드들도 사용한다. 그러한 한 예가 알루미늄 코어를 적용한 절연 금속 기판(IMS) 보드일 것이다. Al 코어 IMS 보드는 패키지 보드 상호작용이 약간 다르게 보일 수 있다. 높은 열-기계 스트레스 조건이 가해졌을 때, 구리와 알루미늄 사이에 열 팽창 계수가 달라서 소재 팽창에 있어서 차이가 발생될 수 있다. 이러한 팽창 차이는 솔더-패키지 핀 연결 부위의 스트레스를 높이고 솔더 접합부에 균열을 일으키고 전기적 및 열 성능을 저하시키는 것으로 이어질 수 있다(그림 4).



이에 인피니언은 TOLx 제품군으로 TOLG를 개발했다. 이 패키지는 TOLL 패키지와 비슷한데, 다만 소스와 게이트 연결부로 추가적인 걸윙 리드(gullwing leads)를 사용한다. 이 걸윙 리드가 패키지로 추가적으로 유연성을 높이고, TCoB 테스트 시에 Al 코어 IMS 보드로 신뢰성을 높인다. TOLG 패키지로는 80V 제품을 제공하며, TOLL 80V 제품과 동일한 전기적 성능을 나타낸다.

상단면 냉각

많은 48V 애플리케이션에서 전력대가 매우 높은 수준에 이름으로써, MOSFET 회로를 설계하는 하드웨어 엔지니어들에게 열 성능과 냉각 시스템이 매우 중요하게 되었다. 극히 까다로운 애플리케이션의 경우에 엔지니어가 성능 한계에 부딪힐 수도 있다.

인피니언은 TOLx 제품군의 세 번째 패키지를 개발하고 있다. TOLT라고 하는 새로운 상단면 냉각 패키지이다. 이 패키지는 패키지 내부에서 리드프레임을 뒤집어서 드레인 패드가 패키지 상단면으로 노출되도록 한다. 그러므로 곧바로 패키지 상단면으로 히트싱크를 탑재할 수 있고, 그럼으로써 열 전달 경로를 크게 단축하고 시스템의 열 성능을 향상시킬 수 있다(그림 5).



TOLT를 사용하여 전력을 20% 이상 높이거나 같은 양만큼 냉각에 대한 노력을 줄여 줌으로써 TOLT는 높은 전력 밀도를 요구하는 애플리케이션에 적합하다. 이러한 애플리케이션에는 패키지화된 MOSFET이 여전히 선호된다.

TOLT 솔루션은 애플리케이션 전력 면에서 유리할 뿐만 아니라, PCB로 열 흐름을 줄일 수 있으므로, 유리 전이 온도가 낮은 보드를 사용할 수 있다. 그러므로 시스템 업체들이 시스템 비용을 낮출 수 있다. 또한 보드 뒷면을 부품을 탑재하는 데 사용할 수 있으므로 보드 공간을 절약하고 추가적으로 비용을 절약할 수 있다.

열 계면 물질(TIM)을 사용해서 히트싱크와 디바이스의 노출된 드레인 패드를 분리시킬 수 있다. 그런데 최상의 성능을 달성하기 위해서 어려운 과제 중의 하나가 TIM 두께를 최적화하는 것이다. 이를 위해서는 패키지 높이 허용오차를 되도록 낮게 유지하고 패키지 기울어짐이 발생되지 않도록 해야 한다. 이를 위해서 인피니언은 패키지 리드의 네거티브 스탠드오프를 도입했다. 이 변형 패키지는 리드 끝이 패키지 바디보다 약간 위로 온다. 그러므로 패키지를 보드 상에 탑재했을 때 리드가 PCB와 바로 접촉하지 않는다.

리드 끝을 PCB로 접속하기 위해서 사용되는 솔더 물질이 리드와 보드 사이의 공간을 채워서, 혹시라도 높이가 높아지는 것을 낮추고 높이 허용오차를 향상시킨다.

TOLT는 80V와 100V 제품을 제공하며, 2021년 초에 양산 예정이다.

전력 MOSFET 임베딩

더더욱 효율을 높이고자 다음 단계로서 인피니언과 Schweizer Electronic이 최근에 MOSFET 칩 임베딩을 도입했다.

그림 6을 보면 회로 보드 상으로 탑재되어 있는 MOSFET이 없다는 것을 알 수 있다. 더 이상 MOSFET을 PCB 전면이나 후면으로 솔더링할 필요 없이 곧바로 보드 내부에 임베딩할 수 있게 되었다. 이것은 Schweizer Electronic의 p²Pack®과 Smart p² Pack®이라고 하는 임베디드 전력 PCB 기술을 사용해서 가능해진 것이다.



임베디드 칩은 극히 얇은 확산 솔더링을 사용해서 두꺼운 구리 블록으로 접속해서 가능한 최상의 열 전달을 달성하므로 열 저항을 낮출 수 있다. 그러므로 48V 시스템이 매우 높은 효율을 달성할 수 있다. 돌입 전류나 역동적 부하 변화같은 고전류 이벤트 시에 광범위하게 열 전달이 발생된다. 칩 하단의 두꺼운 구리 서브스트레이트가 시스템을 안정화하고 Zth를 크게 감소시킨다.

칩 임베딩 기술은 MOSFET 본드 와이어 대신에 동적 소스 영역 전반에 걸쳐서 구리 충전 마이크로 비아들을 사용한다. 그러므로 열 저항 Rth를 낮출 뿐만 아니라 직렬 패키지 저항 또한 감소시킨다. 그러므로 통상적으로 본드 와이어에 수반되는 전반적인 Rdson을 감소시킨다. 무거운 구리 보드 상의 디스크리트 TOLL 솔루션과 비교해서 임베디드 전력 MOSFET은 전력 용량을 35% 높일 수 있다. 그러므로 베어 다이 솔루션에 필적하는 성능을 달성할 수 있다.

칩 임베딩 기술의 이점은 전력 밀도를 높이고 열 성능을 향상시키는 것뿐만 아니다. 새로운 구리 인터커넥트를 사용함으로써 패키지와 PCB 레이아웃 인덕턴스를 낮추고, 전통적 패키지 디바이스로 MOSFET 스위칭으로 인해서 흔히 발생되는 손실과 전자기 간섭(EMI)을 최소화한다. 칩과 구리 충전 마이크로 비아 사이에 최적화된 연결이 회로 인덕턴스를 낮추고 최소한의 오버슈트로 더 빠른 MOSFET 스위칭을 가능하게 한다.

회로 인덕턴스를 줄임으로써 시스템 크기와 비용을 줄일 수 있다. EMI 억제를 위해서 더 작은 크기의 수동 소자들을 사용할 수 있기 때문이다. 또한 임베디드 전력 MOSFET은 낮은 인덕턴스로 전압 오버슈트를 낮추므로 48V 애플리케이션에 100V 대신에 80V MOSFET을 사용할 수 있다. 이 점이 다시 Rdson 저항을 추가적으로 낮추고 더더욱 효율적인 디자인을 달성할 수 있다.



그림 7은 최상의 80V TOLL MOSFET을 사용한 디스크리트 솔루션과 비교해서 칩 임베딩 기술이 어떤 향상들을 가져오는지 보여준다.

앞서 언급했듯이 임베디드 칩은 베어 다이 성능을 달성하거나 상회하기까지 한다. 뿐만 아니라 또 다른 몇 가지 이점을 들 수 있다. 무엇보다도, 베어 다이는 깨지기 쉽기 때문에 각별히 주의를 기울여서 취급해야 하며 특수한 장비와 프로세스를 사용해야 한다. 하지만 임베디드 칩은 특수한 취급을 필요로 하지 않는다.

둘째, 현재로서 모든 베어 다이 기술이 출하 전에 고전류 애버랜치 테스트를 실시하기가 현실적으로 어렵다. 따라서 시스템 업체가 베어 다이 구현에 대해서 추가적인 테스트를 실시해서 불합격 제품을 걸러내야 한다. 그러므로 모듈 제조 시에 수율을 떨어트린다. 임베디드 칩은 출하 전에 완전한 테스트를 거침으로써 이러한 추가적인 수율 손실을 일으키지 않는다.

그런데다가 애플리케이션의 전원 부분에 베어 다이를 사용하면 제어 로직 용의 부품들을 위해서 별도의 PCB를 사용해야 한다. 칩 임베딩은 특수한 설계에 의해서 두꺼운 구리 인레이를 표준적 구리 트레이스들로 둘러쌈으로써 전원과 로직 부품에 동일한 보드를 사용할 수 있다.

인피니언과 Schweizer Electronic의 칩 임베딩 기술이 가장 먼저 목표로 한 애플리케이션은 48V 마일드 하이브리드 스타터 제너레이터, 48V DC/DC 컨버터, 48V 고전력 보조 장치들이다. 이 기술은 독일의 최대 시스템 협력사인 Continental에서 이미 채택하고 있다. 이 회사는 인피니언의 임베디드 MOSFET을 사용해서 48V 스타터 제너레이터를 개발했다. 인피니언의 OptiMOS™ 5 80V 표준 셀 제품을 사용한 이 수냉식 6위상 인버터는 20kW 이상의 연속 출력이 가능하다. 이 강력한 인버터는 2021년에 양산 예정이다.

낮은 전력대 용으로 더 작은 크기의 패키지 추가

높은 전력을 요구하는 48V 애플리케이션뿐만 아니라, 이처럼 높은 전력을 필요로 하지 않는 애플리케이션들도 있다. 펌프나 히터 같이 높은 전력을 필요로 하지 않는 보조장치들 역시도 48V 보드 넷으로 전환하고 있다.

이러한 애플리케이션들을 위해서 인피니언은 MOSFET 제품군에 더 작은 패키지를 채택한 80V 및 100V 제품을 추가하고 있다. 80V 및 100V로 리드리스 SSO8 5mm × 6mm 제품을 이미 출시하고 있다. 또한 3.3mm × 3.3mm 크기의 S3O8 같은 더 작은 패키지 제품들을 추가할 계획이다.

<저작권자(c)스마트앤컴퍼니. 무단전재-재배포금지>

본 기사의 전문은 PDF문서로 제공합니다. (로그인필요)
다운로드한 PDF문서를 웹사이트, 카페, 블로그등을 통해 재배포하는 것을 금합니다. (비상업적 용도 포함)
 PDF 원문보기

  •  홈페이지 보기
  •  유투브 보기
  • 100자평 쓰기
  • 로그인

태그 검색
본문 검색
TOP