죄송합니다. 더 이상 지원되지 않는 웹 브라우저입니다.

반도체네트워크의 다양한 최신 기능을 사용하려면 이를 완전히 지원하는 최신 브라우저로 업그레이드 하셔야 합니다.
아래의 링크에서 브라우저를 업그레이드 하시기 바랍니다.

Internet Explorer 다운로드 | Chrome 다운로드

HybridPACK 드라이브 전력 모듈을 사용해서 빠르고 유연하게 전기차 개발


PDF 다운로드



글/Maike Muller, 자동차용 고전압 모듈 제품 마케팅 책임자, 인피니언 테크놀로지스
    Tomas Reiter, 자동차용 고전압 모듈 애플리케이션 엔지니어, 인피니언 테크놀로지스


전기차 드라이브트레인을 개발할 때 시간과 비용을 절약하기 위해서는 메인 인버터로 에너지 변환 및 제어 용으로 적합한 전력 모듈이 필요하다. 인피니언의 새로운 전력 모듈을 사용해서 100kW~175KW에 이르는 인버터 디자인을 설계할 수 있다.

e-모빌리티 - 메인 인버터 시장 동향

전세계적으로 하이브리드 및 전기차(xEV) 시장이 빠르게 가속화하면서 자동차 산업으로 전례 없이 높은 성장률을 보이고 있다. 이러한 성장을 이끌고 있는 주된 동력은, 유해가스 배출을 줄이기 위해서 도입되고 있는 규제들이다. 개별 자동차뿐만 아니라 자동차 회사들이 판매하는 전체 차량에 대해서 CO2 배출을 줄이기 위한 많은 규제들이 시행을 앞두고 있다. EU 지역에서는 2021년부터 자동차 회사들의 전체 차량에 걸쳐서 CO2 배출량을 95g/km로 제한할 예정이며, 2030년에는 59g/km로 더 낮출 계획이다. 이 목표에 맞추려면 자동차 회사들이 소형 도시형 차에서부터 대형 세단과 SUV에 이르기까지 자사의 많은 차량을 전기화해야 한다. OEM과 일차 협력사들 역시 이러한 엄격한 목표를 달성하기 위해서 유연하면서도 경제성 뛰어난 솔루션을 필요로 한다.
인피니언은 시스템 업체들을 위해서 xEV 메인 인버터 용으로 칩에서부터 디스크리트 솔루션과 전체적인 모듈에 이르기까지 업계에서 가장 포괄적인 유형의 전력 반도체 솔루션 포트폴리오를 제공한다. 인피니언의 xEV 모듈 포트폴리오에서 핵심을 이루는 것이 HybridPACK™ 드라이브다. 2017년에 첫 제품을 출시했으며 현재까지 다양한 구성의 제품들을 추가하고 있다(그림 1과 2). 이 전력 모듈 제품군은 100kW부터 175kW까지 모터 구동을 지원하며, 일차 협력사와 자동차 OEM들이 메인 인버터 용으로 시스템을 빠르게 개발하고 비용을 낮출 수 있도록 한다. 또한 이 제품군으로 1200V 실리콘 IGBT 칩을 추가함으로써, 700V 이상의 배터리 전압을 사용하는 급속 충전 용으로 필요로 하는 더 높은 동작 전압을 가능하게 한다. 또 버스나 트럭 같은 상업용/건설용/농업용 차량의 까다로운 요구를 충족할 수 있다. 다음 계획은, 이 제품군으로 실리콘 카바이드 칩 제품을 추가하는 것이다. 실리콘 카바이드 제품은 Si 기반 제품에 비해서 전력 밀도를 두 배로 높일 수 있다.

xEV 메인 인버터 요구사항
- 높은 효율
- 높은 전력 밀도와 전류 용량
- 긴 수명과 신뢰성
- 경쟁력 있는 가격대 성능비

이러한 요구를 충족하기 위해서 인피니언은 2017년에 EDT2 IGBT 칩을 채택한 최초의 HybridPACK 드라이브 전력 모듈 제품을 내놓았다. 이전 세대 전력 모듈에 비해서 이 제품의 특징은, 전력 손실을 낮추고 전류 용량을 높이고 손쉽게 탑재할 수 있도록 했다는 것이다. 앞의 두 가지는 새로운 세대의 IGBT 칩을 사용해서 가능해진 것이다. EDT2 기술은 전류 밀도에 있어서 새로운 기준을 제시할 뿐만 아니라, 단락 회로 견고성이 우수하고 더 높은 블로킹 전압을 가능하게 하므로 가혹한 환경 조건으로 신뢰할 수 있는 인버터 동작을 달성한다. 또한 EDT2 칩은 경부하로 전력 손실을 낮춘다. 그러므로 실제 구동 사이클로 시스템 효율을 크게 향상시킨다. 또한 이 모듈은 공간거리와 연면거리를 높임으로써 높은 전압으로 작동하는 시스템에 사용하기에 적합하다.
이들 전력 모듈 제품은 고객의 어셈블리 공정을 간소화하도록 가이드핀을 제공하고 신호 단자들로 프레스핏 핀을 제공한다(그림 1). 그러므로 시간 소모적인 선택적 솔더 프로세스를 회피함으로써 시스템 차원에서 비용을 낮추고 신뢰성을 높이는 것으로 이어진다. 프레스핏 핀들을 전력 모듈 하우징 안으로 집어넣지 않음으로써 유연하게 제어 핀들을 조정할 수 있으므로 DCB 상에서 회로 최적화를 할 수 있다. 이러한 유연성은 나중에 센서 통합 같은 기능 업그레이드를 할 때도 유용하다.
파워 터미널의 경우 두 가지 커넥터 탭 타입을 제공한다. 빠르게 용접을 하거나 또는 고전적인 나사 연결을 할 수 있다. 또 위상 전류 센서를 곧바로 파워 터미널에 탑재할 수 있도록 긴 탭 버전 제품도 제공한다.

TT(Hybrid)-1.jpg

[그림 1] HybridPACK 드라이브 제품. 모든 Si IGBT 제품이 상단면 모습이 동일하다.

기술적 특징

전기차 수요가 증가하는 것과 더불어서 다양한 성능대의 전기차를 개발할 필요성도 높아지고 있다. 이와 관련해서, HybridPACK 드라이브 모듈은 시스템 디자이너들에게 최대의 유연성을 제공한다.

  TT(Hybrid)-표1.jpg

[표 1] HybridPACK™ 드라이브의 제품 특징

각기 다른 전력용량대에 따라 각각 다른 냉각 시스템을 사용할 수 있다(그림 2). 모듈의 방열판을 인버터의 냉각기로 연결한다. 방열판 설계에 따라서 모듈의 열 방출 능력에 영향을 미친다(표 1).

TT(Hybrid)-2.jpg

[그림 2] 각기 다른 냉각 성능과 칩 기술을 사용해서 다양한 전력대를 지원한다.

HybridPACK 드라이브 플랫은 성능대가 가장 낮은 제품으로서, 간접 냉각 방열판을 사용한다. 그러므로 자사 시스템으로 기존에 PinFin 모듈을 채택한 고객들이 동일한 풋프린트로 전류 밀도를 낮출 수 있다.
더 높은 전력대 용으로 Wave 제품은 직접 냉각을 할 수 있는 리본 본드 방열판 구조를 사용한다. 이 제품은 플랫 제품과 PinFin 제품 사이에 중간적인 성능대를 지원한다.
가장 높은 성능대로서 Performance 제품은 잘 알려져 있는 PinFin 방열판를 사용하며 뛰어난 냉각 성능을 제공한다. 열전달 성능이 우수한 세라믹 소재를 사용해서 더 높은 전류 용량을 가능하게 하며 175kW까지 전력용량을 지원한다.
이들 세 시리즈 모두 초기 제품과 마찬가지로 동일한 EDT2 칩셋을 사용한다. EDT2 기술은 마이크로패턴 트렌치 셀 구조(그림 3)를 기반으로 설계되었으며, 뛰어난 제어성와 단락 회로에 대한 강인성을 제공한다.
EDT2는 새로운 셀 구조를 사용함으로써 이전 세대 IGBT와 비교해서 게이트 전하를 낮추고 전류 밀도를 높인다. 동시에 스위칭 능력과 우수한 단락 회로 보호 성능은 그대로 유지한다. 최적화된 필드 스톱 구조는 칩두께는 유지하면서 컬렉터 이미터 전압을 750V로 100V 높일 수 있다. 이전 세대 칩은 트렌치스톱 구조(그림 3)와 박막 웨이퍼 기술을 사용해서 전도 손실과 스위칭 손실을 이미 크게 낮추고 있다. 이 기술은 산업용 애플리케이션에서 새로운 기준을 정립했으며, e-모빌리티가 가속화함에 따라서 자동차 애플리케이션으로도 도입되었다. 그 전 세대에는 NPT 구조를 사용했다.

TT(Hybrid)-3.jpg
[그림 3] NPT(non-punch-through), 트렌치스톱, 마이크로패턴 트렌치 셀의 수직 구조와 EDT2 IGBT

EDT2에 채택된 마이크로패턴 트렌치 구조는 캐리어 프로파일을 최적화함으로써 총 전력 손실을 최소화하여 턴오프 시에 드리프트 영역으로 제거해야 하는 전하 캐리어(테일 전류)를 낮춤으로써 전도성 손실(Vcesat)과 턴오프 스위칭 손실(Eoff)을 크게 줄일 수 있다. 높아진 블로킹 전압은 턴오프 시 시스템 인덕턴스에 의한 상승 전압에 대해   설계 마진을 높일 수 있도록 하였다.
그림 4는 동일한 모듈로 트렌치스톱 IGBT3와 마이크로트렌치 패턴을 사용한 EDT2 IGBT의 턴오프 특성을 보여준다. Tvj=25?C로 Vdc=400V인 게이트 드라이버 회로를 사용한다. 게이트-이미터(Vge) 곡선을 보면 밀러 플래토 구간이 크게 감소된 것을 볼 수 있고 이는 빠른 스위칭 및 스위칭 이벤트당 턴오프 에너지를 낮출 수 있어 효율이 높은 인버터 디자인을 달성할 수 있다. 짧은 밀러 플래토에도 불구하고 EDT2 IGBT는 IGBT3보다 우수한 제어 특성을 제공하기 때문에 높은 시스템 신뢰성을 가질 수 있다.

TT(Hybrid)-4.jpg

[그림 4] 동일한 모듈로 트렌치스톱 IGBT3와 마이크로패턴 트렌치 EDT2 IGBT의 스위칭 동작 비교 (Vdc=400V, Tvj=25℃)

급속 충전 애플리케이션처럼 높은 DC 링크 전압을 필요로 하는 요구를 충족하기 위한 Performance 제품군으로 IGBT4 1200V 기술을 적용한 제품을 추가했다. IGBT4 칩을 사용함으로써 동일한 구성으로 EDT2 HybridPACK 드라이브 제품과 비교해서 열 저항 Rth 성능이 가장 우수하며, HybridPACK 드라이브 제품군으로 1200V 블로킹 전압이 가능한 제품을 제공한다. IGBT4는 정방형 트렌치 구조에 낮은 게이트 전하와 캐리어 프로파일 조정으로 도통 손실과 턴오프 손실을 균형을 이루게 할 수 있다. 서브스트레이트 저항, 두께, 필드 스톱, 컬렉터측 p 도핑과 더불어서, IGBT4 1200V는 높은 시스템 인덕턴스 전류(Lstray*I)에 사용하는 애플리케이션으로 부드러운 스위칭을 달성하도록 개발되어 EMI 적합성을 높이고 턴오프 시에 전압 스파이크를 낮출 수 있다.
HybridPACK 드라이브는 모터 자동차의 전력 전자 컨버터에 사용되는 전력 모듈에 대한 유럽 지역 가이드라인을 충족한다. 인피니언은 ECPE(European Center for Power Electronics) 워킹 그룹 AQG 324에 참여해서 자동차 회사들과 긴밀하게 협력하고 있다. 독일의 LV 324(“모터 자동차 부품에 사용하기 위한 전력 전자 모듈 검사 - 일반 요구사항, 시험 조건, 시험”)에 바탕을 두고 있는 ECPE 가이드라인에서는 자동차용으로 전력 모듈의 특성분석뿐만 아니라 전력 전자 모듈의 환경 및 수명 테스트를 하기 위한 절차들을 정의하고 있다.

평가 키트 HybridKIT 제공

인피니언은 B6 브리지 xEV 메인 인버터 애플리케이션 용으로 사용하기 편리한 평가 키트로서 HybridKIT 드라이브와 HybridKIT 드라이브 센스를 제공한다. 이들 키트를 사용해서 HybridPACK 드라이브를 쉽고 빠르게 평가할 수 있다. 이들 평가 키트는 HybridPACK 드라이브 리드 타입 전력 모듈, 최신 Eicedriver 기술을 채택한 게이트 드라이버 보드, AURIX 마이크로컨트롤러를 채택한 마이크로컨트롤러 로직 보드, 사전에 설치된 소프트웨어, DC 링크 커패시터, 쿨러를 포함한다. 연구소 환경에서 사용하도록 설계된 HybridKIT 드라이브는 최대 500V DC 전압으로 최대 150kW에 이르는 능동 및 수동 부하를 구동할 수 있다. 이들 디바이스는 쿨러와 함께 사용하기 위한 것으로서 액체 냉각을 할 수 있게 되어 있으며 경부하 조건으로도 최대 99%에 이르는 높은 효율을 달성할 수 있다(그림 5).

TT(Hybrid)-5.jpg
[그림 5] HybridPACK 드라이브 평가 키트 HybridKIT

leekh@seminet.co.kr
(끝)
<저작권자(c) 반도체네트워크, 무단 전재-재배포 금지>


PDF 다운로드

개인정보보호법 제15조에 의한 수집/이용 동의 규정과 관련하여 아래와 같이 PDF 다운로드를 위한 개인정보 수집 및 이용에 동의하십니까? 동의를 거부할 수 있으며, 동의 거부 시 다운로드 하실 수 없습니다.

이메일을 입력하면,
(1) 신규참여자 : 성명/전화번호/회사명/분야를 입력할 수 있는 입력란이 나타납니다.
(2) 기참여자 : 이메일 입력만으로 다운로드가 가능합니다.

×

회원 정보 수정



* 가입시 이메일만 입력하신 회원은 이름란을 비워두시면 됩니다.