미래 지향적인 전원 스위칭 솔루션
2024. 3. 22
자동차 제조, 산업, 인버터 등 여러 분야에서 고출력 전원 수준의 효율성 개선에 대한 수요가 늘어나고 있습니다. 전기차(EV)의 경우, 성능을 강화하고 모터를 더 효율적으로 구동하고 배터리 충전기 속도를 높여 주행거리를 늘리려면 이러한 개선이 반드시 필요합니다. 산업 현장의 경우, 전반적인 에너지 사용량을 줄이고 지속 가능성을 개선하려면 효율성 개선이 필수적입니다. 따라서 요즘에는 DC 마이크로그리드 기술의 효율성 이점에 이목이 집중되고 있습니다. 친환경 재생 에너지의 경우, 효율성이 높으면 광전지, 수력, 풍력 발전을 도입하는 데 도움이 됩니다. 한정된 천연자원으로부터 최대 에너지를 추출한다는 의미이기 때문입니다.
파워 일렉트로닉스 부문은 이처럼 필수적인 효율성 목표를 실형하기 위해 높은 스위칭 주파수와 전압으로 전환하는 동시에 전체 규모를 줄이고 비용과 성능의 균형을 맞추기 위해 애쓰고 있습니다(그림 1 참조).
그러나, 그렇게 전환하려면 차세대 반도체 소자를 통합하고 전원 MOSFET에 대한 새 반복 작업을 진행하며 광대역 갭 SiC와 GaN을 정기적으로 출시해야 합니다.
위상(power stage)을 미래에 대비하는 방법, 차세대 버전을 적극 활용하되 계속 재설계할 필요성을 해소하는 방법과 같이 새로운 난제에 직면하게 됩니다.
예시를 통해 전형적인 전원 설계 요건을 살펴보겠습니다.
소형 고효율 EV용 고급 3상 배터리 충전기에 적합한 솔루션이 필요하다고 가정했을 때 전력 위상은 양방향이어야 하고, AC-DC, DC-AC 양방향에서 모두 효율적이어야 합니다. AC 측에는 활성 PFC(Power Factor Control)가 있어야 하고, DC 측의 경우 스위칭 손실이 낮고 최고 전압이 800VDC인 배터리 팩과 인터페이스를 적용해야 합니다. 유도체 부품의 크기와 무게를 줄이려면 높은 스위칭 주파수에서 작동하도록 고안되어야 합니다.
위상(power stage)을 미래에 대비하는 방법, 차세대 버전을 적극 활용하되 계속 재설계할 필요성을 해소하는 방법과 같이 새로운 난제에 직면하게 됩니다.
예시를 통해 전형적인 전원 설계 요건을 살펴보겠습니다.
소형 고효율 EV용 고급 3상 배터리 충전기에 적합한 솔루션이 필요하다고 가정했을 때 전력 위상은 양방향이어야 하고, AC-DC, DC-AC 양방향에서 모두 효율적이어야 합니다. AC 측에는 활성 PFC(Power Factor Control)가 있어야 하고, DC 측의 경우 스위칭 손실이 낮고 최고 전압이 800VDC인 배터리 팩과 인터페이스를 적용해야 합니다. 유도체 부품의 크기와 무게를 줄이려면 높은 스위칭 주파수에서 작동하도록 고안되어야 합니다.
여기서 가능한 솔루션으로는 3상 PFC, 풀 브리지 양방향 LLC와 능동 정류기를 포함하는 것이 있습니다(그림 2 참조). 이 솔루션을 적용하려면 전원 트랜지스터가 14개 필요한데, 원가 대비 성능을 최대화하려면 MOSFET, SiC, GaN(가능한 경우) 소자를 결합해서 사용해야 합니다.
전원 트랜지스터마다 별도의 게이트 드라이버가 필요하고, 상측 트랜지스터의 경우(Q1, Q3, Q5, Q7, Q9, Q11, Q13) 갈바닉 절연도 필요합니다. 게이트 드라이버에 Out+ 핀과 Out- 핀이 따로 있는 경우, 스위칭 특징을 최적화하기 위해 on 사이클과 off 사이클에 서로 다른 게이트 레지스터를 사용할 수 있습니다.
또한, 절연 Vpos 및 Vneg 전압을 선택하여 on 사이클 중 트랜지스터를 완전히 보강하고 off 사이클 중에는 게이트 정전 용량은 신속하게 방전하도록 할 수도 있습니다. 그리고 음(-)의 “Off” 전압을 사용하면 소스 유도용량으로 인해 전원이 잘못 켜지지 않도록 방지하여 스위칭의 안정성이 강화됩니다1. 문제는 바로 여기에 있습니다. 다양한 스위칭 기술과 트랜지스터 세대마다 게이트 드라이브 권장 수준 및 절대 최대 수준이 각기 다르다는 것입니다(그림 3 참조).
전원 트랜지스터마다 별도의 게이트 드라이버가 필요하고, 상측 트랜지스터의 경우(Q1, Q3, Q5, Q7, Q9, Q11, Q13) 갈바닉 절연도 필요합니다. 게이트 드라이버에 Out+ 핀과 Out- 핀이 따로 있는 경우, 스위칭 특징을 최적화하기 위해 on 사이클과 off 사이클에 서로 다른 게이트 레지스터를 사용할 수 있습니다.
또한, 절연 Vpos 및 Vneg 전압을 선택하여 on 사이클 중 트랜지스터를 완전히 보강하고 off 사이클 중에는 게이트 정전 용량은 신속하게 방전하도록 할 수도 있습니다. 그리고 음(-)의 “Off” 전압을 사용하면 소스 유도용량으로 인해 전원이 잘못 켜지지 않도록 방지하여 스위칭의 안정성이 강화됩니다1. 문제는 바로 여기에 있습니다. 다양한 스위칭 기술과 트랜지스터 세대마다 게이트 드라이브 권장 수준 및 절대 최대 수준이 각기 다르다는 것입니다(그림 3 참조).
비대칭 공급 전압 +15/-9V의 IGBT에 맞춰 최적화된 게이트 드라이버 설계는 음의 절대 최댓값 한도에 대한 헤드룸 전압이 1V밖에 안 되기 때문에 1세대 또는 2세대 SiC에 심각한 스트레스를 초래합니다. 심지어 3세대 SiC 트랜지스터에서는 아예 작동하지 않습니다. 1세대 SiC에서 2세대 또는 3세대 SiC로 전환하는 데 필요한 설계에도 비슷한 문제가 있습니다. 양의 +20V 레일이 최신 세대 절대 최댓값 한도와 같거나 이를 초과해 초기 오류를 유발합니다.
각각의 최신 세대 전원 트랜지스터를 낮은 게이트 드라이브 전압 수준에 맞춰 완전히 보강하거나 격감시키는 경향이 있는데, 최적의 게이트 드라이브 전압 수준은 여전히 제조업체, 개발 반복 작업이나 트랜지스터 유형에 따라 천차만별입니다. 절연 변압기나 절연 DC/DC 컨버터에서 절연 게이트 드라이버 전원 공급 전압(Vpos 및 Vneg)을 제공하기 때문에, 게이트 드라이버 자체는 모든 트랜지스터 유형에서 사용할 수 있어도 어떤 전원 트랜지스터를 선택하느냐에 따라 각기 다른 솔루션이 필요하게 됩니다. 이는 두 번째 소스 스위칭 트랜지스터와 호환되는 핀을 사용하더라도 절연 전원 공급장치의 설계를 대폭 변경해야 할 수 있다는 뜻입니다.
이때 필요한 것은 프로그램 방식 절연 비대칭 전원 공급장치입니다. 이를 통해 게이트 드라이버 회로를 아직 출시되지 않은 최신 세대를 포함하여 여러 트랜지스터 옵션에 맞춰 최적화하도록 허용할 수 있습니다.
각각의 최신 세대 전원 트랜지스터를 낮은 게이트 드라이브 전압 수준에 맞춰 완전히 보강하거나 격감시키는 경향이 있는데, 최적의 게이트 드라이브 전압 수준은 여전히 제조업체, 개발 반복 작업이나 트랜지스터 유형에 따라 천차만별입니다. 절연 변압기나 절연 DC/DC 컨버터에서 절연 게이트 드라이버 전원 공급 전압(Vpos 및 Vneg)을 제공하기 때문에, 게이트 드라이버 자체는 모든 트랜지스터 유형에서 사용할 수 있어도 어떤 전원 트랜지스터를 선택하느냐에 따라 각기 다른 솔루션이 필요하게 됩니다. 이는 두 번째 소스 스위칭 트랜지스터와 호환되는 핀을 사용하더라도 절연 전원 공급장치의 설계를 대폭 변경해야 할 수 있다는 뜻입니다.
이때 필요한 것은 프로그램 방식 절연 비대칭 전원 공급장치입니다. 이를 통해 게이트 드라이버 회로를 아직 출시되지 않은 최신 세대를 포함하여 여러 트랜지스터 옵션에 맞춰 최적화하도록 허용할 수 있습니다.
RECOM에서는 바로 그런 제품, RxxC2T25S를 출시했습니다. 이 제품은 절연 변압기를 내장한 SOIC 패키지 형태의 SMD DC/DC 컨버터입니다(그림 4 참조). 피드백 디바이더 회로에서 레지스터 값을 변경하면 출력을 +2.5V에서 +22.5V, -2.5V에서 -22.5V 범위로 개별적으로 설정할 수 있습니다. 다시 말해 전원 공급장치 솔루션 하나로 +15/-9, +20/-5, +18/-4, +15/-3 또는 다른 모든 출력 전압 조합을 제공할 수 있다는 뜻입니다(단, 조합한 출력이 18~25V 범위 내에 속해야 함).
그러므로 설계자가 PCB 설계를 변경할 필요 없이 BoM 레지스터 값을 변경하기만 하면 첫 번째와 두 번째 소스 전원 트랜지스터 공급장치를 손쉽게 전환할 수 있습니다. 또한, 최적 게이트 드라이브 전압이 +14.5/-3.5V인 전원 트랜지스터 최신 세대가 출시된다 하더라도 해당 솔루션으로 미래에 완벽하게 대비할 수 있습니다. 마지막으로, 출력 전압을 따로따로 조정할 수 있습니다. 이 기능은 스위칭 효율을 가능한 최대한으로 실현하기 위해 최대 절댓값 수준에 매우 가까운 수준의 전압으로 게이트를 구동할 때 필수적입니다.
전원 수준이 킬로와트 수준으로 늘어남에 따라, 게이트 드라이버와 게이트 드라이버 전원 공급장치 주변 환경은 그만큼 가혹해지고 있습니다. 고급 WBG 전원 트랜지스터 기술에서는 스위칭 손실이 적지만, 주변 작동 온도는 높을 것으로 예상됩니다. 높은 전압으로 하드 스위칭하려면 매우 높은 dv/dt 슬루 레이트가 발생합니다. 따라서 우수한 스위칭 안정성을 확보하려면 높은 수준의 CMTI(Common Mode Transient Immunity), 낮은 절연 정전 용량, 높은 절연이 필수적입니다.
RxxC2T25S는 주변 작동 온도 범위가 40°C에서 +100°C이고, 부하는 1.5W이며, 부하가 0.6W인 경우 +125°C이고, CMTI가 ±150kV/µs이며, 절연 정전 용량은 3.5pF밖에 안 되고, 3kVAC/분 절연(반복 피크 전압(repetitive peak voltage) ±1200VDC)을 제공합니다. 출력 또한 단락, 과부하, 과열에 대비해 완벽하게 보호됩니다.
저전압 잠금 기능이 있으므로 입력 전압과 출력 전압이 모두 안정화된 상태에서만 DC-OK 핀이 활성화됩니다. 따라서 이 핀이 게이트 드라이버의 Enable 핀에 연결되어 첫 번째 스위칭 사이클부터 안정적인 환경을 보장합니다(그림 5 참조).
그러므로 설계자가 PCB 설계를 변경할 필요 없이 BoM 레지스터 값을 변경하기만 하면 첫 번째와 두 번째 소스 전원 트랜지스터 공급장치를 손쉽게 전환할 수 있습니다. 또한, 최적 게이트 드라이브 전압이 +14.5/-3.5V인 전원 트랜지스터 최신 세대가 출시된다 하더라도 해당 솔루션으로 미래에 완벽하게 대비할 수 있습니다. 마지막으로, 출력 전압을 따로따로 조정할 수 있습니다. 이 기능은 스위칭 효율을 가능한 최대한으로 실현하기 위해 최대 절댓값 수준에 매우 가까운 수준의 전압으로 게이트를 구동할 때 필수적입니다.
전원 수준이 킬로와트 수준으로 늘어남에 따라, 게이트 드라이버와 게이트 드라이버 전원 공급장치 주변 환경은 그만큼 가혹해지고 있습니다. 고급 WBG 전원 트랜지스터 기술에서는 스위칭 손실이 적지만, 주변 작동 온도는 높을 것으로 예상됩니다. 높은 전압으로 하드 스위칭하려면 매우 높은 dv/dt 슬루 레이트가 발생합니다. 따라서 우수한 스위칭 안정성을 확보하려면 높은 수준의 CMTI(Common Mode Transient Immunity), 낮은 절연 정전 용량, 높은 절연이 필수적입니다.
RxxC2T25S는 주변 작동 온도 범위가 40°C에서 +100°C이고, 부하는 1.5W이며, 부하가 0.6W인 경우 +125°C이고, CMTI가 ±150kV/µs이며, 절연 정전 용량은 3.5pF밖에 안 되고, 3kVAC/분 절연(반복 피크 전압(repetitive peak voltage) ±1200VDC)을 제공합니다. 출력 또한 단락, 과부하, 과열에 대비해 완벽하게 보호됩니다.
저전압 잠금 기능이 있으므로 입력 전압과 출력 전압이 모두 안정화된 상태에서만 DC-OK 핀이 활성화됩니다. 따라서 이 핀이 게이트 드라이버의 Enable 핀에 연결되어 첫 번째 스위칭 사이클부터 안정적인 환경을 보장합니다(그림 5 참조).
결론적으로, RxxC2T25S는 설계자가 기다려온 솔루션입니다. 이는 절연 게이트 드라이버 용도에 맞춰 특수 설계된 강력한 SMD 부품으로, 사용자가 기대하는 기술적 이점을 모두 제공할 뿐만 아니라, 기존 솔루션은 물론 향후 설계에서도 효율성을 최대화할 수 있도록 자유롭게 출력 전압을 선택할 수 있다는 장점이 있습니다.
1음(-)의 게이트 드라이브 전압(및 하단의 스위처) 필요성에 대한 상세한 분석은 RECOM 웹사이트에 게재된 “IGBT, SIC MOSFET을 사용한 강력한 트랜지스터 회로 설계” 백서를 참조하시기 바랍니다.
1음(-)의 게이트 드라이브 전압(및 하단의 스위처) 필요성에 대한 상세한 분석은 RECOM 웹사이트에 게재된 “IGBT, SIC MOSFET을 사용한 강력한 트랜지스터 회로 설계” 백서를 참조하시기 바랍니다.
용도
| Series | |||||
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| 1 |
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R24C2T25
Focus
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