게이트 드라이버와 바이어스 공급 장치가 EV 범위 증가를 지원하는 방법

MCU와 전류 감지 루프가 생성하는 제어 신호는 배터리와 모터 사이를 연결하는 전력계로 전달됩니다. 전력계는 IGBT 또는 SiC MOSFET과 같은 전원 트랜지스터의 3개 상에 연결되어 있는 대형 커패시터 뱅크로 디커플링된 고전압 DC 버스로 구성됩니다. 전력계는 배터리를 효율적으로 사용하려면 DC 전압을 AC 전압으로 변환할 때 전력 손실을 최소화해야 하며 크기가 작아야 하며, 그래야 차량의 주행 범위가 늘어납니다. 하지만 전압과 전력이 증가하면 자연스럽게 구성 요소의 크기고 커지기 때문에 이는 쉽지 않은 과제입니다. 다행히도, 기술적 혁신을 통해 구성 요소가 크기는 같으면서 더 높은 수준의 전력을 공급하는 것이 가능해졌습니다.

트랙션 인버터의 크기에 영향을 미치는 요인으로는 고전압 트랜지스터의 유형과 배터리의 전압 수준 등 두 가지가 있습니다. SiC MOSFET은 동일한 정격 전압의 IGBT와 비교했을 때 스위칭 손실이 낮고 다이 크기가 작기 때문에 일부 엔지니어들은 트랙션 인버터 설계에서 SiC MOSFET을 사용하고 있습니다. SiC 트랜지스터는 적절하게 제어해 주면 온도, 속도 및 토크 등 인버터가 작동하는 모든 조건에 걸쳐 손실은 줄이고 안정성은 높이면서 작동하며 그 결과 주행 범위가 늘어납니다.

SiC MOSFET이 더 효율적이기는 하지만 트랜지스터가 모두 그렇듯 스위칭 시 어느 정도 전력 손실이 발생하며, 그러한 전력 손실은 트랙션 인버터의 효율성에 영향을 미칠 수 있습니다. 그림 3에서 보다시피, 스위칭 과도 중 전압과 전류의 에지가 겹치면서 전력 손실이 발생합니다. 높은 게이트 드라이버 출력 전류가 SiC FET 게이트의 빠른 충전과 방전을 야기하면서 전력 손실이 낮아집니다. 하지만 온도, 전류 및 전압과 관련한 스위치 행동의 변화를 감안할 때 최대한 빠른 속도로 스위칭하는 것이 항상 최선은 아닙니다. SiC FET 전반에 걸친 전압, 즉 VDS(드레인/소스 전압)의 dv/dt(과도 전압)의 신속한 변환은 전도 접지 전류 형태의 전압 오버슈트와 EMI(전자기 간섭)을 초래합니다. 권선들 사이의 커패시턴스에 단락이 발생할 가능성이 있기 때문에 dv/dt가 높으면 모터 자체가 피해를 입을 수 있습니다. 게이트 드라이버 회로는 전력 손실과 스위칭 과도 현상을 모두 제어할 수 있습니다.

게이트 저항을 이용해 게이트 드라이버의 출력 소스와 싱크 전류를 제어하면 dv/dt와 전력 손실 간 상쇄를 최적화할 수 있습니다. 그림 4은/는 다양한 온도 및 전류 조건에 걸쳐 SiC MOSFET 슬루율의 변화에 맞춰 최적화할 수 있도록 출력 드라이브 강도를 조정할 수 있는 게이트 드라이버의 구현 모습입니다.

조정 가능하다는 것은 EMI와 손실을 낮춰줌으로써 효율성을 높여 주행 범위를 늘려주기 때문에 트랙션 인버터 성능에 이점으로 작용합니다. TI의 UCC5870-Q1과 UCC5871-Q1 게이트 드라이버의 주행 강도는 30A이기 때문에 게이트 저항을 변경하고 최적화함에 따라 조정 가능한 게이트 드라이브 솔루션을 구현하기가 매우 쉽습니다. 또한, 갈바닉 절연과 100kV/µs CMTI를 적용해 신속 전환 SiC 기술을 사용한 고전압 애플리케이션에서 사용하기가 용이합니다.

배터리의 전압 수준도 시스템 내에 존재하는 dv/dt의 양에 영향을 미치며, 설계자가 동일한 전력 밀도와 면적을 유지하면서 절연 안전 기준을 충족할 수 있는 구성 요소를 선택하고 EMI를 최소화하려 할 때 극복해야 할 과제로 작용합니다. SiC MOSFET은 작은 크기의 다이에서 높은 고장 전압(>1,200V)을 지원하기 때문에 800V EV 배터리 애플리케이션을 위한 높은 전력 밀도 솔루션을 가능하게 합니다.

전원 공급 장치에 절연과 양호한 조정력이 필요한 경우 고전압 SiC MOSFET에 대한 게이트 전압 요구 사항을 지원하는 것은 쉽지 않은 과제가 됩니다. 게이트 전압의 영향은 그림 5에 보이는 SiC MOSFET의 전류-전압 특성 곡선에서 확실히 알 수 있으며, 여기에 보면 게이트-소스 전압(V_GS)이 높을수록 선형 영역의 곡선이 더 가파르게 나타나고 있습니다. 곡선이 더 가파르다는 것은 드레인-소스 온-저항(R_DS(on))이 더 낮으며, 그에 따라 전도 손실이 최소화되고 열 폭주를 방지할 수 있다는 것을 의미합니다.

게이트 드라이버에 전력과 전압을 공급하는 절연 바이어스 공급 장치는 빠른 과도 상태에서 적절한 게이트 양전압을 유지하고 SiC FET을 안전하게 오프 상태로 유지하기 위해 음전압을 지원해야 합니다. 절연 전력 공급을 생성하는 데에는 반도체 스위칭 컨트롤러가 탑재된 변압기를 자주 사용합니다. 하지만 설계가 복잡해 전기적 효율과 EMI 관점에서 모두 전력계의 성능에 영향을 미칩니다. 상호 권선 커패시턴스는 더 높은 공통 모드 전류를 만들고, 이는 더 낮은 커패시턴스가 필요한 경우 EMI를 생성하지만 사이즈, 정격 전압 및 효율성 간 균형을 맞추려면 설계하는 데 더 많은 시간이 필요합니다.

UCC14241-Q1과 UCC1420-Q1 같은 일체형 전원 모듈의 경우, 주-보조 절연 커패시턴스는 <3.5 pF에서 효과적으로 제어가 가능해 신속 전환 SiC MOSFET에 대해 >150 V/ns의 CMTI를 구현할 수 있습니다. HEV/EV 서브시스템 설계 추세는 트랙션 인버터를 DC/DC 컨버터와 결합하는 등, 추가적인 통합 방향으로 이동하고 있습니다. UCC14241-Q1은 그림 6에서 보다시피 플라이백 컨버터를 이용한 일반적인 바이어스 공급 솔루션 대비 BOM(재료 사양서)을 약 40% 더 작게 줄일 수 있습니다. 개별형 변압기 설계에 비해 높이가 훨씬 낮기 때문에 무게 중심이 낮고 진동 내성이 더 높습니다. 이러한 요인들이 모두 합쳐저 트랙션 인버터 시스템의 안정성을 높이고 수명을 늘려주며, 동시에 올바른 전압을 공급해 주면 전원 트랜지스터를 효율적으로 구동할 수 있습니다.