부하 관리, 전력 인버터, 디젤/가솔린 분사기, 엔진 밸브, 모터 드라이브 등에서 MOSFET 및 IGBT 디바이스의 사용이 확대됨에 따라 차량 인증 게이트 드라이버에 대한 수요 역시 증가했다. 페어차일드의 AEC Q100 게이트 드라이버 제품군은 전체 고전류 하측 고전압 IC (High-Voltage IC, HVIC), 상층 및 HVIC 하프 브리지(상측 및 하측) 게이트 드라이버를 포함하고 있으며 다양한 애플리케이션에 최적화되었다.

내연기관(Internal Combustion Engine, ICE), 하이브리드 카(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 전기자동차(Electric Vehicle, EV)가 새로운 전력 반도체 시장을 지속적으로 성장시키고 있다. 저전압 및 고전압 애플리케이션에 대해 전력 소자는 증가된 주파수에 대해서 동작하면서 잡음에 강하고 보다 높은 효율을 제공해야 한다. 부하 관리, 전력 인버터, 디젤/가솔린 분사기, 엔진 밸브, 모터 드라이브 등에서 MOSFET 및 IGBT 디바이스의 사용이 확대됨에 따라 차량 인증 게이트 드라이버에 대한 수요 역시 증가했다.
OEM들이 HEV/EV 자동차의 전기 아키텍처를 규격화하고 있으며, 이와 같은 아키텍처를 가진 반도체 제조업체들에게 차량 표준(AEC Q100 및 Q101) 인증을 받은 완전히 새로운 세대의 부품을 개발하도록 요구하고 있다. 견고한 고전류/고전압 MOSFET, IGBT, 고전압 정류기( Rectifier), 이들을 제어하기 위한 IC가 이제는 일반화되고 있다. 페어차일드의 AEC Q100 게이트 드라이버 제품군은 전체 고전류 하측 고전압 IC (High-Voltage IC, HVIC), 상층 및 HVIC 하프 브리지(상측 및 하측) 게이트 드라이버를 포함하고 있으며 다양한 애플리케이션에 최적화되었다.
페어차일드 차량용 게이트 드라이버 포트폴리오의 최신 제품은 HVIC 제품 라인을 보다 큰 인버터와 모터 드라이브 애플리케이션에서 요구되는 최대 전류 범위까지 확장시켰다.
FAN7171_F085 상측 및 FAN7190_F085 상측 및 하측 게이트 드라이버 IC는 최대 +600 V 동작을 제공하는 모놀리식 디바이스이다. 이제 차량 시스템에서 다양한 형태의 게이트 드라이버를 요구하는 일반적인 토폴로지에 대해 살펴볼 것이다.




고전류 하측 게이트 드라이버
하측 게이트 드라이버는 피에조 인젝터에서부터 저전력 컨버터까지 접지 소스 회로들에서 MOSFET을 구동하는 데 사용된다. 업계 표준 핀아웃으로 제공되는 단일 및 듀얼 게이트 드라이버가 있으며, 입력 로직 레벨(CMOS 또는 TTL), 인에이블 회로(enable circuit) 제공 여부, 이중 로직 입력 등에 대한 옵션을 제공한다.
페어차일드 차량용 하측 게이트 드라이버의 출력 단은 MOSFET과 병렬로 연결된 바이폴러 디바이스를 포함하고 있는 MillerDrive™ 아키텍처를 사용하고 있다(그림 1).



바이폴러 디바이스의 목적은 높은 피크 전류를 제공하여 턴-온 및 턴-오프 주기 모두에 대해 밀러 플래토(Miller Plateau) 영역을 통해 전환 속도를 가속화시키는 것이다. 병렬 MOSFET은 최소 최종 전압 강하 특성을 제공한다.
일반적인 사용예로는 부스트 컨버터의 Front-end MOSFET, 충전 장비를 위한 PFC Front-end MOSFET 및 IGBT, 접지 소스 구성에서 부하를 구동하는 MOSFET 등이 있다. 이중 2 A 및 이중 4 A 하측 디바이스가 주파수 범위가 50 kHz에서 250 kHz까지인 표준 토폴로지를 사용하는 50 W에서 500 W까지의 AC 전력 컨버터의 1차 단에 일반적으로 사용된다. 12 V 배터리 전원을 통해 직접 동작하는 가장 일반적인 토폴로지는 푸시/풀 구성이다. 출력 전압이 일반적으로 170 Vdc에서 280 Vdc까지의 범위를 가진다. 200 W 이상의 정격을 제공하는 부스트 컨버터를 위한 다른 애플리케이션으로는 HEV/EV를 위한 고전압 레일 긴급 전원이 있는 데, 12 V 전원만으로 방전된 차량을 다른 차의 배터리에 연결시켜 시동이 걸릴 수 있어야 한다.


저전력 컨버터는 일반적으로 출력에 간단한 정류기를 사용한다. 하지만, 보다 높은 출력 전력과 효율 향상을 위해서 그림 2에 나타낸 바와 같이 고전압 정류기를 FAN3227_F085와 같은 이중 하측 고전류 게이트 드라이버를 통해 구동되는 MOSFET을 사용해 동기식 정류기로 대체할 수 있다.

HVIC 하프-브리지 및 상측 드라이버
1 A 이하의 피크 출력 전류를 제공하는 HVIC 드라이버의 차량용 애플리케이션이 다양해지고 있다. 이들 드라이버는 최대 600 V까지의 고전압 부하에 대해 사용이 가능하다. 또한 저전압 배터리 레일의 12 V 또는 24 V 전압 조건에서 동작하는 저전압 부하에 대해서도 경제적이다. 적합한 게이트 레지스터 네트워크를 통한 상대적으로 낮은 출력 전류는 수백 헤르츠에서 수십 킬로헤르츠까지의 주파수 범위에서 동작하는 PWM에 대해 상대적으로 낮은 전자기 방출 특성을 제공할 수 있다.
HVIC를 사용하는 경우에, 심지어 상대적으로 낮은 전압 조건(12 V 또는 24 V)에서도 상측 드라이버, 하프-브리지, 풀-브리지, 다위상 브리지 등을 통해 부하를 구동하는 것이 실용적이면서 경제적이다. 이 토폴로지는 전자식 조향 시스템(Electric Power Steering, EPS) 등과 같은 HEV/EV 애플리케이션 외에서도 잘 나타난다.



그림 3은 능동 재순환(active recirculation) 기능을 제공하는 단일단 부하의 PWM을 위해 사용되는 일반적인 하프-브리지 구성을 나타낸 것이다. 이 하프-브리지 토폴로지는 접지된 부하 또는 배터리에 연결된 부하에 대해 다양한 공급전압 범위에서 사용할 수 있다. 풀-브리지 또는 다상 구성은 후방 와이퍼, 역류 순환 펌프, 양방향 냉각 팬 등에 사용할 수 있다.
일부 디젤 분사 애플리케이션과 같이 V_Load가 ~100 V인 중전압 애플리케이션의 경우, 상측 HVIC 게이트 드라이버가 탁월한 성능을 제공한다. FAN7081_GF085, FAN7083_GF085, FAN7085_GF085 등이 이러한 시장에 적합하다. 부하가 거의 정전용량성인 일부 부하 구성의 경우, 각 사이클에서 부트 커패시터를 통과하는 부트스트랩 전압을 형성하기 위해서 DC 재충전 경로가 필요할 수도 있다.
FAN7085_GF085는 이를 위한 특수한 기능을 제공하는 데, 내부 지연 기능을 통해 재충전 경로의 슛-스루(shoot-through) 전도 현상을 방지한다(그림 4).

HVIC 고전류 드라이버
고전력 DC-DC 컨버터는 HEV/EV 전기 시스템에 일반적으로 사용된다. 이들은 일반적으로 풀브리지(full-bridge) front-end에 의해 구동되는 포워드 컨버터이다.

주요 기능들은 다음과 같다.

1. 주 배터리를 특정 충전 전압 상태(~150 V에서 300 V까지)에서 600 V 이상의 구동 전압까지 상승시키는 주 견인 부스트 컨버터. 전력 정격은 차량의 견인력에 따라 결정된다.

2. HEV/EV 차량의 교류발전기(alternator)와 12 V/24 V 배터리를 대체하여 조명, 와이퍼, HVAC, 서리 제거 장치, 좌석, 인포테인먼트, 파워 윈도, 그 외 모든 저전압 차제 장비 등을 구동하는 액세서리를 위한 스텝-다운 컨버터. 이들 중 일부는 양방향성이며, 낮은 전력의 역방향 모드를 제공하여 긴급 전원(점프스타트) 부스트 인버터를 대체할 수 있다. 이들은 포워드 방향에서 일반적으로 1.5 kW에서 3 kW까지이다. 이들 컨버터는 견인 부스트 컨버터와 동일한 넓은 입력 전압 범위에 대해서 동작할 수 있다.

3. 가변 충전 전압으로 단계적으로 낮아지는 오프-라인 PFC 부스트 전압(~400 V)으로 동작하는 충전 기기의 스텝-다운 컨버터. 컨버터 크기는 이것의 AC 전원에 대한 목표 호환성에 의해 정의된다.

고전력 요구사항으로 인해 필요한 동작 주파수가 자기 회로 무게와 부피를 줄이기 위해서 증가해야 한다. 최신 IGBT를 사용하는 설계의 경우, 일반적으로 100 kHz 미만으로 제한된다. MOSFET을 사용하는 애플리케이션은 250 kHz 이상에서 동작할 수 있다. 많은 설계들이 직렬 공진 동작, 영전압 스위칭 등과 같은 기법들을 채용하고 있다.
고속 스위칭 및 정밀 제어 기능을 제공하는 이러한 상대적으로 높은 전력의 풀-브리지 애플리케이션에 사용되는 대형 전력 디바이스를 구동하기 위해서 페어차일드의 고전류 HVIC는 +4 A 피크-싱크 및 소스 전류, 고속 상승 및 하강 시간(< 15/25 nS), 낮은 전파 시간(< 150 nS) 등을 제공한다.
견고한 제품 동작의 주요 특성으로는 히스테리시스를 이용한 입력 잡음 내성, 출력 공통 브리지 포인트 상에서의 큰 허용 음극 전압 변동 등이 있다. 페어차일드는 모든 AEC Q100 인증 HVIC에 대해 일반적으로 Vb = 15 V 조건에 대해 -9.8 V의 -V 정격을 제공한다. 불충분한 게이트 구동을 방지하기 위해서 UVLO(Under Voltage LockOut) 회로가 사이클 기준을 동작한다. 이들은 FAN7190_F085의 상측 및 하측 드라이버 영역에 따라 결정된다.

설계 측면
실제 설계 구현 시에는 피크-게이트 전류를 제어하고 과도전류 내성과 방사 특성을 향상시키며 게이트 발진 등과 같은 기생효과를 감쇄시키고 파워-업 및 파워-다운 상태에 대해 알려진 ‘오프’ 조건을 구축하기 위해서 게이트 회로 상에 레지스터 네트워크가 필요하다. 기생 인덕턴스, 고전류 경로의 전압 오프셋, 스위칭 과도현상 등에 대해 주의를 기울이는 것이 중요하다. 데이터 시트와 애플리케이션 가이드 모두 턴-온 및 턴-오프 사이클에서 중요한 게이트 전류 경로에 대한 지침을 제공하고 있다.
HVIC의 경우, Vs와 중앙 부하-포인트 사이의 직렬 레지스터와 같이 간단한 회로 구조를 통하여, 동작 중에 발생할 수 있는 갑작스런 노이즈에 대한 내성을 향상시킬 수 있다.
Vb 상의 과도현상에 대해 보호하고 IC 고장을 야기할 수 있는 과전압 조건을 방지하기 위해서 부트스트랩 공급에 대해서도 역시 주의를 기울여야 한다.
한 가지 일반적으로 나타나는 실수는 재충전 시간, 게이트 턴-온 피크 전류, 온 영역(on portion))에서의 전류 소모 등에 근거하여 부트스트랩 커패시터의 구조와 전기적 크기를 선택하는 것이다. 설계자들이 하측 및 상측 구동 회로 모두를 위한 부품과 HVIC 기반 설계의 부트스트랩 부품을 선택할 때 도움을 주기 위해서 다양한 애플리케이션 노트들이 제공되고 있다.
게이트 드라이버 회로 시뮬레이션은 일반적으로 간단한 동작 모델들을 통해 이루어진다. 정의된 상승 및 하강 시간, 전달 지연, 그리고 데이터 시트를 통해 확인한 다른 주요 특성을 통해 이상적인 소스를 사용할 수 있다. 전류 구동 성능을 데이터 시트에 열거된 Vb/2에서의 출력을 통해 피크 게이트-전류를 지원하도록 선택된 직렬 출력 저항으로 모델링할 수 있다. 다행히 HEV/EV 기술이 발전함에 따라, 몇 년 전까지만 해도 활용할 수 없었던 풍부한 정보와 레퍼런스들이 설계자들에게 제공되고 있다.
고전압 시스템을 제공하여 광범위하게 홍보되었던 자동차 세대를 출시했던 다수의 OEM들의 경우, 역시 실질적인 경험을 확보하고 있다. 반도체 산업의 경우, 고객들이 향후의 기능 요구사항에 대해 공급자들을 현재 교육시키고 있다.