트랙션 인버터: 자동차 혁신과 성능의 교차점

최신 전기차(EV)는 페달을 밟으면 가속이 빠르고 매끄럽다. 이 정도로 만족해야 할까? 그렇지 않다.

그도 그럴 것이 전기차의 성능이 높아지고 주행 거리가 길어지고 있기 때문이다. 전기차가 저장된 에너지를 에너지를 추진력으로 전환하는 방식 때문에 이러한 개선의 상당수가 트랙션 모터 차원이 아닌 전기적 차원에서 발생하고 있다. 최근 트랙션 인버터 기술의 발전으로 트랙터 인버터는 특히 성장 유망 분야로 떠올랐다. 트랙션 인버터는 휠을 돌리고 차량을 나아가게 하는 등 고전압 배터리 팩에서 모터까지의 에너지 흐름을 관리한다. 대부분의 전기차 주요 뉴스는 배터리 시스템의 혁신에 초점을 맞추느라 수킬로와트의 트랙션 인버터는 간과하는 경우가 많다.

하지만 실시간 제어 기능과 절연 게이트 드라이버를 지원하는 TI의 마이크로컨트롤러에 힘입은 트랙션 인버터의 발전은 전기차 성능에 대한 기대치를 훨씬 더 끌어올리고 있다. 스위칭이 좋아지면 신뢰성, 성능, 중량, 전력 밀도의 개선으로 곧장 이어진다. 물론 더 가벼운 중량과 더 빠른 모터는 말할 것도 없다.

그 결과 차세대 전기차는 운전하는 재미가 훨씬 높아지게 될 것이다.

쑨 공(Xun Gong) TI HEV/EV 트랙션 인버터 시스템 매니저는 “파워 일렉트로닉스의 혁신은 실제로 기계적 측면의 제약을 극복하고 있다”면서 “기계적 한계 해결에 가까이 다가가고 있다”고 밝혔다.

효율성에 대한 새로운 기준 정립

전기차는 어떤 측면에서 보면 이미 대단히 효율적이다. 전기차의 낭비 에너지는 일반 가솔린 엔진 대비 4분의 1밖에 되지 않는다.[1] 하지만 여전히 개선의 여지가 있다. 후드 아래 들어가는 부품이 개선된다는 것은 곧 고장 없이 믿고 운전할 수 있는 기간이 늘어난다는 것을 의미한다. 마이크로컨트롤러가 더 많은 임무를 담당하면 있으면 차량 내 전체 전자 시스템의 크기와 무게가 줄어들어 회로와 인클로저의 양이 감소할 수 있다.

TI는 가혹한 산업 환경에서 사용되고 수십 년 동안 악조건을 견딜 수 있는 고전압 모터용 산업 컨트롤러와 전력 집적회로(IC)를 설계했으며, 이를 바탕으로 고객이 전기차 설계 문제 해결에 도움을 줄 수 있다.

오드리 디어리언(Audrey Dearien) TI 절연 게이트 드라이버 담당 애플리케이션 매니저는 “TI의 고객과 협력하면서 많은 것을 배웠으며, 고객들의 모터 드라이브와 TI 제품은 처음부터 고전압 시스템에 맞추어 설계되었다”면서 “이전의 혁신을 발판 삼아 트랙션 인버터를 더욱 향상시키고 있다”고 말했다.

실리콘 카바이드가 중요한 이유

전기차의 실제 성능을 끌어올린 가장 큰 변화는 트랙션 인버터에 사용되는 고전압 스위치의 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)를 실리콘 카바이드(SiC) 기술로 이전한 것이다. SiC 트랜지스터는 저장된 배터리 입력을 사용 가능한 모터 출력으로 전환하는 등 IGBT보다 효율성이 더 뛰어나기 때문에 업그레이드가 자연스럽게 이루어졌다. 또한 IGBT보다 크기가 더 작고 작동 시 발열이 더 적어 드라이브 시스템의 무게와 크기 및 에너지 낭비를 더욱 줄일 수 있다.

하지만 SIC 스위칭으로 옮겨가면 다른 문제가 발생한다. SiC 스위치는 IGBT 기술보다 단락 손상에 취약하다. 전기차는 SiC로의 전환에 동반하는 적절한 드라이버 기술이 필요하다.

오드리 디어리언 매니저는 “TI의 게이트 드라이버 기술은 단락을 신속하게 감지하여 100만 분의 1 초 이내에 스위치를 꺼서 손상을 방지한다”고 설명했다.

SiC 트랜지스터는 스위칭이 매우 빠르며 이는 효율성 우위에 속한다. 이렇게 빠른 스위칭 속도는 모터 오류를 일으킬 수 있는 높은 수준의 전기 잡음이 발생할 수도 있다. TI의 게이트 드라이버는 드라이버 시스템 내 잡음의 영향을 낮추는 안전 사양으로 이러한 위험을 통제한다.

오드리 매니저는 “트랜지스터 스위칭이 더 느렸던 과거에는 스위칭 손실이 매우 낮을 수 있었다”면서 “하지만 SiC의 등장으로 효율적으로 제어할 수 있는 매우 빠른 스위칭 속도를 얻게 되었다. 효율적인 스위칭이 불가능 하다면 SiC를 최대한 활용하지 못할 것”이라고 말했다.

전기차의 더 높아진 전력 밀도 지원

트랙션 인버터 업그레이드는 전기차 산업이 추구하는 더 큰 과제의 일부분에 불과하다. 최종 목표는 고출력 전자 시스템의 전력 밀도를 개선하는 것이다. 이러한 개선을 통해 더 작은 보드에서 더 많은 에너지를 끌어낼 수 있으며 결국 트랙션 인버버를 포함하여 전력 변환 시스템, 모터 및 기타 드라이브 부품의 크기와 무게를 줄일 수 있게 된다.

쑨 공 매니저는 “전력 밀도를 개선하면 차량이 더 가벼워지기 때문에 속도가 더 빨라질 수 있다”면서 “혹은 차량 내 공간을 더 확보할 수 있어 더 넓은 좌석 공간을 확보할 수 있다.”고 설명했다.

파워트레인 시스템을 통합하는 것도 전력 밀도를 개선하는 한 가지 방법이다. 아날로그와 임베디드 프로세스 기술의 발전을 통해 차량 제조업체들은 온보드 충전기, DC/DC 컨버터, 트랙션 인버터와 같은 개별 시스템을 단일 도메인 컨트롤러 하나 하나의 콤팩트한 기계 인클로저로 결합할 수 있게 되었다. 파워트레인 통합을 통해 자동차 제조업체는 효율성을 높이고 신뢰성 및 전력 밀도를 개선하는 한편 설계 비용을 반으로 줄일 수 있다. 그러면 결국 구매 또는 소유 비용 절감, 차량 수명 연장, 성능 향상을 포함하여 운전자에게 더 나은 경험을 보장할 수 있다.

차세대 트랙션 인버터는 다음의 이점을 제공함으로써 전기차의 효율성과 성능을 개선한다.

800V를 구현하는 효율성 

오늘날 대부분의 전기차는 400V 배터리 팩으로 구성되어있지만 업계는 800V로 전환을 시도하고 있다. 800V 모터는 분당 회전수(RPM)가 2배가 될 수 있지만 에너지 손실과 낭비 위험이 높아질 수 있다. TI의 고성능 Arm® 기반 마이크로컨트롤러(MCU)와 고속 게이트 드라이버는 100만분의 1 초마다 모터 스위칭 알고리즘을 조정할 수 있는 고속 전류 루프 제어를 통해 이 도전에 응할 준비가 되어 있다.

마이크 피에노비(Mike Pienovi) TI Sitara™ MCU 담당 제품 라인 매니저는 “시스템 내 전력 수준이 올라가면 비효율로 인한 손실이 더 확연해진다”면서 “이러한 새로운 잠재력을 활용하려면 저지연, 고정밀 감지 및 제어가 포함된 마이크로컨트롤러를 갖추어 더 높은 스위칭 빈도를 지원하고 효율성을 극대화해야 한다”고 밝혔다.

주행 안전성

TI의 독자적인 절연 기술은 차량과 차량의 고전압 배터리가 도로에서 안전하게 작동하도록 도움을 준다. 또한 트랙션 인버터와 모터 제어를 위한 TI의 차량용 마이크로컨트롤러와 기타 부품은 기능적 안전성을 준수하며 설계자들이 최대 ASIL D까지 모든 안전 무결성 수준(SIL)을 충족하는 데 도움을 준다. ASIL D는 자동차 안전성에 대한 가장 엄격한 테스트이다.

신뢰성 향상

TI의 제품 및 시스템 설계는 열과 전압 모니터링을 포함하여 용량성 절연 강화, 고장 감지, 상태 모니터링을 통해 트랙션 인버터와 기타 중요한 전기차 부품의 수명을 늘리는 데 도움이 될 수 있다. 이러한 진단과 부품 상태 점검은 조기 경고와 해결책 옵션을 제공하여 차량 제조업체가 주요 부품의 FIT(시간당 고장) 비율을 줄이는 데 도움이 된다.

초고속 경량 모터가 등장하면 뉴스 기사 헤드라인을 차지할 수 있겠지만, 차에 대해 잘 아는 전기차 운전자는 성능과 신뢰성의 상당 부분이 트랙션 인버터의 발전으로 기능해진다는 것을 이해할 것이다.

^{References:
[1] https://www.fueleconomy.gov/feg/atv-ev.shtml}