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CoolSiC™의 잠재력 최대한 활용: EiceDRIVER™ 기술이 전기차의 진보 가속화

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글/M. Ippisch, M. Weinmann, 인피니언 테크놀로지스

1200V Gen2p CoolSiC 기술

인피니언의 최신 전력 반도체 기술인 1200V CoolSiC Gen2p는 크게 향상된 효율과 성능을 달성한다. 이 기술은 차량용 800V 전력 애플리케이션의 까다로운 요구를 충족하도록 설계되었다. 특히 메인 인버터를 들 수 있다. 이 기술은, 인피니언의 트렌치 셀 콘셉트의 셀 피치를 더 줄이고 드리프트 영역을 조정함으로써 전체 온도 범위에 걸쳐서 뛰어난 Rds,on A를 달성한다. 낮은 온-상태 저항과 낮은 스위칭 손실에 의해서 Gen2p는 경부하 효율이 뛰어나다. 이 점은 주행거리 연장과 시스템 차원의 비용 절감을 위해서 중요하다[1].

Smart p2 Pack®으로 S-Cell 임베딩

인피니언 CoolSiC의 잠재력을 최대한 활용하도록 하기 위해서, 그림 1에서 보는 것과 같은 표준 셀(S-Cell)을 슈바이처 일렉트로닉의 Smart p2 Pack®으로 임베딩했다[2]. (이 표준 셀은 100퍼센트 전기 테스트를 거친다.) 이 PCB 기술은 48V 스타터 제너레이터 애플리케이션 용으로 이미 양산되고 있으며, 기존 솔루션과 비교해서 성능을 최대 60퍼센트까지 높이는 것으로 확인된다[3, 4]. Smart p2 Pack®은 열전도성인 동시에 전기적 절연층인 레이어를 특징으로 함으로써 시스템 설계를 수월하게 한다. 인피니언과 슈바이처의 1200V MOSFET 임베딩은 고전압 패키징 기술에 있어서 한 차원 도약을 뜻하는 것으로서, 다음과 같은 점에서 CoolSiC 기술의 잠재력을 최대한 활용하도록 한다:

① 높은 설계 유연성으로 각기 다른 전력 및 구조 제약을 충족할 수 있다.

② 부유 인덕턴스를 최소화함으로써 깨끗하고 빠른 스위칭으로 고효율 전력 변환을 가능하게 한다.

③ 높은 수준의 시스템 집적도를 가능하게 한다.

[그림 1] 슈바이처 일렉트로닉의 Smart p2 Pack®은 PCB로 Infineon의 S-Cell 1200V CoolSiC™ Gen2p 칩을 임베딩함으로써, 기존 솔루션과 비교해서 최대 60퍼센트까지 향상된 성능을 달성한다.

3세대 EiceDRIVER

게이트 드라이버 1EDI3035AS는 컴팩트한 20핀 DSO 패키지를 적용한 인피니언의 새로운 차량 인버터 게이트 드라이버 제품이다. 특히 실리콘 카바이드 기술과 함께 사용하기에 적합하도록 설계되었으며, 내부적 감시 임계값과 타이밍을 최적화함으로써 사용자가 복잡한 SPI 프로그래밍 인터페이스를 제어할 필요가 없다. 

출력 스테이지로 최대 20A의 피크 전류를 제공하며, 다중의 SiC 셀을 병렬로 구동할 수 있다. 그러므로 전력 정격 300kW 이상의 첨단 인버터를 구동할 수 있다. 또한 단락 회로 성능과 효율 사이에서 적절히 절충을 이룰 수 있도록 하는 것으로서 극히 빠른 SOFTOFF 기능을 포함한다. 이 기능은 외부적 SOFTOFF 저항을 사용해서 자유롭게 조절할 수 있다.

또한 간단한 PWM 코드화 DATA 인터페이스를 통해서 드라이버 상태 및 다수의 내부 진단 기능을 리드백할 수 있다. 그러므로 프로토타입을 빠르게 개발하고 개발 일정을 단축하도록 한다.

칩 임베딩 보드

그림 2는 칩 임베딩 보드를 보여준다. 이 보드는 메인 dc 링크 커패시터를 연결할 수 있는 5개의 커넥터를 포함하며, MOSFET 하프 브리지 가까이로 3개의 900V CeraLink 커패시터를 포함한다. 이들 커패시터가 로컬 dc 링크 커패시터로 작용함으로써 부유 인덕턴스를 최소화한다. 각각의 스위치는 20mm2 CoolSiC 칩을 사용한 하나의 임베디드 S-Cell로 이루어졌다. 게이트 드라이버를 하프 브리지 가까이에다 배치하고 단일 보드 디자인이기 때문에 저 유도성(low inductive) 게이트 접속, 빠른 스위칭을 가능하게 하고 오실레이션을 저감 한다. 게이트 드라이버 전원은 이 그림에 포함되어 있지 않다. 이 전원은 SMD 핀 헤더를 통해서 전원 보드에다 탑재할 수 있다. 이 전원이 드라이버 이차 측으로 바이폴라 전원 전압을 공급하고 일차 측으로도 전원을 공급한다. 이 보드는 세세한 전기적 측정이 가능하도록 설계되었다. 그러기 위해서 그림 3의 회로도에서 보듯이 전압 측정을 위한 5개의 표면실장 동축 커넥터(SMA 및 MMCX)를 포함한다. 그러므로 프로브 리드로 원치 않는 자기 결합을 방지한다. 병렬화 SMD 션트 저항 네트워크를 통해서 전류를 측정하므로 높은 측정 대역폭이 가능하다.

[그림 2] 1200V CoolSiC과 3세대 EiceDRIVER™를 채택한 Smart p2 Pack® 데모 보드

[그림 3] 데모 보드의 전원 루프 회로도

이중 펄스 측정

그림 4에서는 측정된 턴오프 파형을 보여준다. 이 보드를 실온으로 10Ω의 턴오프 저항과 800V DC 링크 전압으로 작동했다. 스위치 오프 전류는 114A이다. 상단 그래프는 하측 MOSFET의 드레인 전류 id,ls와 드레인-소스 전압 vds,ls를 보여준다. 하단 그래프는 게이트-소스 전압 vgs,ls를 보여준다. 게이트 전압이 아주 매끄러운 형태라는 것을 알 수 있다. 처음에는 입력 커패시턴스를 방전하다가 드레인-소스 전압이 상승함에 따라서 밀러 플라토 구간이 이어진다. 이 구간에 전류가 감소하는 것은 vds,ls가 상승할 때 상측 MOSFET이 방전하기 때문이다. 그리고 상측 바디 다이오드를 포워드 바이어스한 후에 전류가 빠르게 감소한다. 스위칭 셀의 저 유도성(low inductive) 디자인 덕에 전압 오버슈트의 크기가 최소한이다. 링잉 역시도 매우 낮다. 그럼으로써 드라이브트레인으로 EMI 요건을 충족하는 것을 수월하게 한다. 이 데모 보드를 사용해서 최대 100V/ns(턴오프) 및 28A/ns(다이오드 턴오프)로 측정했는데, 인피니언의 CoolSiC 기술이 어떠한 근본적인 한계점을 보이지 않았다.

[그림 4] 측정된 턴오프 파형

단락 회로 측정 및 DESAT 감지

또한 이 측정 보드를 사용해서 극히 저 유도성(low inductive)이고 빠른 스위칭을 하는 애플리케이션으로 1200V CoolSiC Gen2p의 단락 회로 동작을 테스트했다. 션트 저항은 단락 회로 이벤트 시에 높은 펄스 에너지를 견디지 못하므로 이 저항을 제거하고 구리 시트로 대체했다. 션트 저항의 패드로 이 구리 시트를 솔더링해서 로고스키 코일을 사용할 수 있게 했다. 3세대 EiceDRIVER는 내부적으로 포함한 DESAT 기능으로 아주 낮은 블랭킹(SiC에 적합), 감지, 대응 시간을 특징으로 한다. 그림 5에서는 측정된 파형을 보여준다. 맨 위 그래프는 각기 다른 Desat 커패시터를 사용했을 때 전류이고, 가운데와 아래 그래프는 드레인-소스 전압과 게이트-소스 전압이다. 55A/ns(Rg,on,ext = 0Ω)의 매우 빠른 전류 상승 후에 전류가 대략 1200A로 포화한다. 그러다 자체 발열 효과로 인해서 포화 전류가 감소하고, 마침내 SOFTOFF 핀을 통해서 MOSFET을 턴오프한다. 드라이버 스테이지 턴온(VEE + 1.5V) 후에 단락 회로 이벤트를 감지하고 대응(VCC - 1.5V)하기까지 456ns밖에 걸리지 않는다. 그러므로 ([5]에 따른) 549ns의 최소 단락 회로 시간을 충족한다. 이로써 Infineon EiceDRIVER와 임베디드 솔루션이 결합해서 놀랄 만큼 잘 작동한다는 것을 알 수 있다. 높은 피크 전력에도 불구하고, 이 셋업으로 도달한 에너지가 칩 파괴 에너지보다 훨씬 낮다.

[그림 5] 단락 회로 타입 1 파형

맺음말

이 글에서는 하프 브리지 보드를 사용해서 측정된 전기적 결과를 설명했다. 이 그림 2 보드는 인피니언의 Cool-SiC Gen2p 기술, 인피니언의 최신 EiceDRIVER, 슈바이처 일렉트로닉의 혁신적인 패키징 기술을 결합한 것으로서, 이 세 가지 앞선 기술이 합쳐져서 시너지를 내도록 설계되었다. 그럼으로써 최대 100V/ns의 전압 트랜션트, 낮은 발진, 낮은 전압 오버슈트, 550ns 미만의 뛰어난 단락 회로 시간을 달성한다. 

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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