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GaN 디바이스를 사용한 2kW 48V/12V 양방향 전원 모듈 설계

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글/Michael de Rooij, Vice President, Application Engineering, Efficient Power Conversion

기후 변화에 대처하기 위해서 각국 정부의 규제가 엄격해짐에 따라서 자동차 회사들이 내연 엔진에서 탈피해서 전기 구동 자동차로 전환하는 움직임이 갈수록 빨라지고 있다. 하이브리드 자동차 시장이 2017년에 2.0%이던 것에서 5.1%로 두 배 이상 성장했으며[1], 2025년에는 전세계적으로 판매되는 자동차 10대 중에서 한 대가 48V 마일드 하이브리드 차량일 것으로 전망된다. 48V 시스템은 연비를 높이고, 엔진 크기를 늘리지 않고서 4배의 전력을 제공할 수 있으며, 시스템 비용을 늘리지 않으면서 이산화탄소 배출을 줄일 수 있다. 이러한 시스템으로 1.5kW부터 6kW까지 이르는 전력대로 48V~12V 양방향 컨버터를 필요로 한다. 또한 시스템 설계 시에 크기, 비용, 높은 신뢰성을 중요하게 요구한다. GaN 디바이스를 사용해서 이와 같은 요구를 충족할 수 있다.

이 글에서는 96% 효율을 달성하고 48V 마일드 하이브리드 시스템에 사용하기에 적합하도록 설계된 GaN FET을 사용해서 2kW 2위상 48V/12V 양방향 컨버터를 설계하는 것을 설명한다. 이러한 컨버터 2개를 병렬로 연결하면 4kW를 제공할 수 있고, 3개 컨버터를 사용하면 6kW를 제공할 수 있으며, 1kW를 위해서는 하나의 위상만 사용할 수 있다. 그림 1은 이 양방향 DC-DC 컨버터의 개략적인 회로도를 보여준다.

[그림 1] 양방향 컨버터의 개략적인 회로도

48V/12V 양방향 DC-DC 컨버터 설계

이 디자인은 EPC2302 GaN FET[4]을 채택하고 있다. EPC2302는 인덕턴스가 낮은 3mm x 5mm QFN 패키지에다 상단면을 노출시킴으로써 열 관리가 우수하다. 1.8mΩ RON이고, 정격 피크 dc 전류는 101A이다. 그러므로 이 디자인은 2위상 접근법을 선택해서 FET 전류 요구량을 낮추도록 했다. 예를 들어서 14V 2kW 출력이라고 했을 때 각기 위상으로 dc 전류는 70A이다. 그럼으로써 또한 인덕터로 전류 정격 요구를 낮추도록 한다. 또한 이 디자인에 채택된 MPQ1918-AEC1 게이트 드라이버[5]는 AEC-Q100 인증을 취득하고, 부트스트랩 기법과 함께 전압 클램핑 기능을 사용해서 상측 FET을 구동한다. 이들 드라이버는 전달 시간이 빠르고 전달 지연 매칭이 정격으로 1.5ns 이내로 훌륭하다.

Vishay IHTH-1125KZ-5A 시리즈 인덕터[6]는 인덕턴스를 위해서 높은 전류 정격을 제공한다. 이 디자인으로는 1.0?H 인덕터와 500kHz 스위칭 주파수를 선택함으로써 80A의 피크 인덕터 전류를 제공한다.

정확한 위상 전류 밸런싱을 위해서는 정밀 션트 저항을 사용한 전류 검출이 인덕터 DCR 전류 검출보다 낫다. 이 디자인에 사용된 MCP6C02 전류 검출 증폭기는 최대 대역폭이 500kHz이고 50V/V 이득이다. 그러므로 0.2mΩ 션트로 10mV/A의 총 전류 검출 이득이다.

두 위상 사이에 대칭적인 레이아웃은 위상 전류 평형을 이루고 불일치로 인한 여타의 영향(게이트 구동 지연, 스위칭 전이 속도, 오버슈트 등)을 최소화하기 위해서 중요하다. 그림 2는 이 디자인으로 GaN FET을 둘러싼 레이아웃 예를 보여주는 것으로서, 내부적 수직 레이아웃 기법을 사용하고 있으며[3] FET 가까이로 디커플링 커패시터들을 배치하고 그 다음 레이어로 전면 접지 플레인을 사용하고 있다.

(a)                                               (b)
[그림 2] PCB의 맨 위 두 레이어로 GaN FET을 둘러싼 레이아웃 예. (a) 맨 위 레이어는 접지(GND), 스위칭 노드(SW), 입력(VIN) 넷으로 이루어졌으며, 그 다음의 내부 레이어는 전면 접지 플레인으로 이루어졌다.

디지털 제어

이 디자인에는 Microchip의 dsPIC33CK256MP503 디지털 컨트롤러[5]를 사용하고 있다. 16비트 프로세서로서 최대 CPU 속도는 100MIPS이다. 펄스 폭 변조(PWM) 모듈을 고분해능 모드로 구성함으로써 듀티 사이클과 데드 타임으로 250ps 분해능이 가능하다. 그러므로 GaN FET의 빠른 스위칭 능력을 최대한 활용하도록 데드 타임을 정확하게 조절할 수 있다.

벅 모드와 부스트 모드 모두로 디지털 평균 전류 모드 제어를 사용한다. 전류 검출 회로는 검출 저항과 차동 증폭기로 이루어졌다. 이 디자인에는 저손실 0.2mΩ 검출 저항과 저잡음 증폭기 MCP6C02를 사용한다. 그림 3은 제어 블록 다이어그램을 보여준다. 2개의 개별적 전류 루프로 동일한 전류 레퍼런스 IREF를 사용한다. 그러므로 양쪽 인덕터로 전류를 동일한 값으로 레귤레이트한다. 2개 내곽 전류 루프의 대역폭은 6kHz로 설정되었고, 외곽 전압 루프 대역폭은 800Hz로 설정되었다.

[그림 3] 디지털 평균 전류 모드 제어 다이어그램

열 관리

최종적인 활용 사례가 자동차 전기화라는 것을 고려했을 때 히트싱크 용량은 무한하다고 할 수 있다. 궁극적으로 자동차 안에서 새시에 탑재되어서 동작하기 때문이다. 이 디자인은 2kW의 최대 출력 전력으로 상업적으로 표준적으로 출시된 1/8브릭 히트싱크를 사용하고 있다. PCB 상으로 4개의 금속 스페이서를 사용해서 히트싱크 탑재를 위한 적정한 간격을 확보한다. FET과 히트싱크 사이에 열 계면 물질(TIM)이 필요하다. 통상적으로 이 물질은 a) 수축에 따른 기계적 요건을 충족하고, b) 전기적 절연을 이루고, c) 열 전도가 우수해야 한다. 이 디자인은 17.8W/mK인 TIM을 채택했다. 그림 4는 3D로 히트싱크 설치 뷰를 보여준다.

[그림 4] 히트싱크 설치 뷰를 보여주는 것으로서, 금속 스페이서와 TIM을 볼 수 있다.

디자인 검증 결과

그림 5는 히트싱크를 탑재하지 않은 상태에서 EPC9165[6] 컨버터의 모습을 보여준다. 크기는 에지 커넥터를 제외하고 108mm x 70mm x 40mm이다.

히트싱크를 탑재하고 1700 LFM 에어플로우를 사용해서 이 컨버터를 48V 입력 대 14.3V 출력으로 500kHz로 작동해서 테스트를 실시했다. 그림 6의 효율 결과를 보면, 500kHz로 1μH 인덕터를 사용해서 이 컨버터가 97%의 피크 효율을 달성한다는 것을 알 수 있다. 이 컨버터를 14.3V 입력 대 48V 출력으로 부스트 모드 동작으로도 테스트했다. 그림 7은 이 결과를 보여준다.

최대의 부하일 때 EPC eGaN FET은 500kHz 스위칭 주파수로 96% 효율로 동작할 수 있다. 그러므로 위상당 1kW가 가능하다. 이와 비교해서 실리콘 기반 솔루션은 100kHz 최대 스위칭 주파수로 인덕터 전류가 제한적이므로 위상당 600W로 제한된다.

 

맺음말

전세계적으로 연비에 관한 규제가 갈수록 더 엄격해짐으로써 자동차 회사들이 이러한 요구를 충족하면서도 계속해서 늘어나는 전자식 기능들에 필요로 하는 전력을 제공할 수 있는 경제성 있는 솔루션을 찾고 있다. 마일드 하이브리드 차량과 배터리 전원 백업 유닛 용으로 GaN 기반 양방향 고전력 컨버터는 시스템 크기, 비용, 높은 신뢰성에 대한 요구를 충족한다. 확장성 뛰어난 이 솔루션을 사용해서 1.5kW부터 6kW까지 이르는 전력대로 최신 48V 마일드 하이브리드 시스템의 전력 요구를 충족할 수 있다. 

[참고문헌]

[1] Valdes-Dapena, P. (2022, June 14). Gas prices are rising, so it’s a good thing so many vehicles are secretly hybrids. CNN. Retrieved July 21, 2022, from https://www.cnn.com/2022/06/14/cars/mild-hybrid/index.html  

[2] Navigant Research (2016, November 2). Global sales of 48-volt systems are expected to reach 9 million in 2025, according to Navigant Research. [Press release] Retrieved July 21, 2022, from https://www.businesswire.com/news/home/20161102005098/en/Global-Sales-of-48-Volt-Systems-are-Expected-to-Reach-9-Million-in-2025-According-to-Navigant-Research

[3] A. Lidow, M. De Rooij, J. Strydom, D. Reusch, and J. Glaser, GaN Transistors for Efficient Power Conversion, 3rd ed. John Wiley & Sons, 2019. ISBN: 978-1119594147.

[4] EPC. (2022). “EPC2302 datasheet,” [Online]. Available: https://epc-co.com/epc/Portals/0/epc/documents/datasheets/EPC2302_datasheet.pdf 

[5] MPS (2022). “MPQ1918-AEC1, 100V, 1.6A, 5A, EMI-Optimized Half-Bridge GaN Driver, AEC-Q100 Qualified” [Online]. Available: https://www.monolithicpower.com/en/mpq1918.html

[6] Vishay (2020). “IHTH-1125KZ-5A high current through-hole inductor high temperature series,” [Online]. Available: https://www.vishay.com/docs/34349/ihth-1125kz-5a.pdf 

[7] Microchip Technology Inc. (2019). 16-bit PIC Microcontrollers Family, [Online]. Available: https://www.microchip.com/design- centers/16-bit    

[8] “EPC9165 - 2 kW 48 V/14 V Bi-Directional Power Module Evaluation Board,” Efficient Power Conversion Quick Start Guide

leekh@seminet.co.kr
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