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48V 마일드 하이브리드 시스템으로 향상된 전원 변환 달성

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  글/필리포 스크리미지(Filippo Scrimizzi) ADG 애플리케이션 매니저, 

    카르멜로 미스트레타(Carmelo Mistretta) ADG 애플리케이션 수석 엔지니어, 

    쥬시 감비노(Giusy Gambino) ADG 마케팅 수석 엔지니어, ST마이크로일렉트로닉스 이탈리아 카타니아

개요

ST마이크로일렉트로닉스(이하 ST)는 48V 마일드 하이브리드 시스템에서 DC-DC 변환용으로 다양한 구성의 전력 MOSFET 디바이스 제품을 제한다. 80V ~ 100V STPOWER STripFET 기술(F7 시리즈는 AEC-Q101 인증을 취득, 새로운 시리즈의 프로토타입 개발)은 뛰어난 스위칭 성능과 효율을 달성할 뿐만 아니라 모든 차량용 요건을 준수하는 견고성을 적절하게 제공한다.

머리말 

완전 전기차를 향한 점진적인 전환 과정에서 48V 마일드 하이브리드 시스템이 결정적인 역할을 하고 있다. 전반적인 시스템 비용은 낮추면서도 보다 높은 전력에 대한 본질적인 요구를 충족하면서 마일드 하이브리드 플랫폼은 다음과 같이 보고된 기능들을 앞세워 빠르게 성장하고 있다.

• 전력과 성능의 탁월한 조화 

저전압 트랙션이 통합된 경우, 정지 후 출발할 때 25% 이상 더 낮은 토크로 더 빠른 가속 

• 더 높은 연비: 최대 10 ~ 15% 향상 

• 더 높은 전력 제공: 엔진 크기를 늘리지 않고 4배의 전력 제공

• 탄소 배출 감소: CO2 배출 최대 25%까지 감축

• 현행 HEV/EV 솔루션에서와 같은 고전압 버스로 전기 안전 문제 제거 

48V 리튬이온 배터리는 펌프, 스타트-스톱, EPS, HVAC 같은 차량의 고전력 시스템들을 구동해 48V 대 12V/14V DC-DC 컨버터로 통상적인 12V 납축전지를 충전하는 기능을 갖추고 있다. 12V 납축전지는 차체 및 인포테인먼트 애플리케이션 같은 저전력 시스템들을 구동하는 데 사용된다(그림 1).

[그림 1] 하이브리드 시스템의 48V 및 12V/14V 블록 파티셔닝

그림 2는 48V 마일드 하이브리드 시스템의 블록 다이어그램을 보여준다.

[그림 2] 48V 마일드 하이브리드 시스템의 블록 다이어그램

48V 대 12V DC-DC 컨버터

48V 마일드 하이브리드 차량은 48V 대 12V 컨버터로 48V 배터리 전압을 스텝다운(강압)해 12V 배터리를 충전한다. 이 컨버터는 양방향 전력 흐름이 가능해 필요할 경우 12V 배터리가 48V 배터리로 전력을 공급할 수도 있다. 48V 배터리가 고장을 일으킨 경우, 이 기능을 사용하면 차를 가장 가까운 정비소까지 끌고 갈 만한 에너지를 제공할 수 있다.

48V 대 12V DC-DC 컨버터는 기술적으로 다음과 같은 사양을 요구한다:

• 벅 모드로 최대 3.3kW 및 부스트 모드로 1.2kW 출력 전력

• 최대 275A에 이르는 출력 전류

• 95% ~ 96% 이상의 효율

• 24V ~ 56V 입력 전압 범위

• 6V ~ 16V 출력 전압 범위

그림 3은 이러한 사양을 충족하는 다위상 인터리브 동기 벅 컨버터의 회로도를 보여준다. 이 토폴로지로 상측(HS) MOSFET의 스위칭 성능은 컨버터 효율, 정류 성능, 잡음을 최적화하는 데 필수적이며, 하측(LS) MOSFET은 전도 손실을 최소화하도록 최적화돼 대부하 효율을 향상시켜준다.

[그림 3] 다위상 인터리브 동기 벅 컨버터 전원 스테이지 회로도

이는 컨버터가 충전 단계 동안 벅 모드로 동작해 12V 배터리에 전류를 제공하는 데 유효하다. 시스템 안정성 문제를 피하기 위해서는 이중 제어 루프를 구현해야 한다. 첫 번째 제어는 전류 제어 루프이고, 두 번째는 12V 배터리 연결이 끊어졌을 때 출력 전압이 제어 없이 무한정 상승하는 것을 막는 전압 제어 루프이다.

48V 배터리가 고갈되어 갈 때는 이 컨버터가 부스트로 동작해야 한다. 이때는 주로 하측 성능에 의해 스위칭 손실이 좌우되고, 상측 성능에 따라서는 전도 손실이 좌우된다. 이러한 이유로 대부분의 시스템 설계자들은 양 기능에 대해 동일한 MOSFET을 사용하고자 한다. 하지만 벅 모드를 최적화하고자 Qg가 낮은 상측 디바이스를 사용하는 것을 선호하는 설계자들도 있다. 벅 모드가 이 애플리케이션의 주된 기능이기 때문이다.

전력 MOSFET 사양

48V 마일드 하이브리드 시스템의 DC-DC 전원 변환용으로 ST 솔루션은 상측 스위치로 6.5mΩ Rdson과 하측 스위치로 3.6mΩ Rdson인 80V MOSFET을 사용한다. STPOWER STripFET F7 디바이스는 AEC Q101 인증을 취득했으며, 이는 밀러(Miller) 효과 커패시턴스 감소, 최적화된 커패시턴스 비율(Crss/Ciss), 매끄러운 바디 다이오드 복구 측면에서 최적화된 동작을 특징으로 한다. 특히, STL105N8F7AG는 이러한 토폴로지의 상측 스위치 혹은 제어 스위치로 사용하기에 적합하다. Qg/Qgd가 낮고, 위험한 스파이크나 스퓨리어스 링잉을 일으키지 않고 매끄러운 스위칭 파형을 달성하기 때문이다(그림 4).

  

[그림 4] 하측 턴오프(왼쪽)와 턴온(오른쪽) 시 STL105N8F7AG 파형

STL125N8F7AG 디바이스는 HS와 LS 구성 모두에 사용될 수 있으며, 경부하로 우수한 효율을 달성한다. 한편, HS MOSFET으로 STL125N8F7AG와 LS MOSFET으로 STL135N8F7AG를 사용한 혼합 구성은 경부하로 우수한 효율을 달성하며 대부하로도 최상의 성능을 달성한다(그림 5).

[그림 5] 48V 대 12V DC-DC 컨버터에서의 STL125N8F7AG와 STL135N8F7AG 효율

시험 결과를 보면 스위칭 성능의 최적화(낮은 Qgd)와 전도 손실의 최소화(낮은 RDSon)간의 균형이 컨버터 성능의 차이를 만들어낸다는 사실을 알 수 있다. 

새로운 MOSFET 프로토타입을 사용한 측정

최종 시스템 비용을 절감하려면 DC-DC 컨버터 애플리케이션이 발전해 더 높은 스위칭 주파수로 이동해야 하며, 이로써 부품들의 크기를 줄일 수 있다. 출력 LC 필터의 크기를 줄이고 PCB에 필요한 구리 양을 줄이면서 히트 싱크의 크기를 줄이게 되면서 냉각 시스템의 비용을 낮추게 된다. 다음 단계는 더 우수한 FOM(Figure of Merit)으로 더 빠른 MOSFET을 확보하도록 해야 한다. 더 높은 스위칭 주파수에 대한 이러한 경향으로 전력 밀도를 높일 수 있으며, 따라서 더 빠르게 스위칭하는 MOSFET 성능이 필요하다. 바로 이러한 애플리케이션 요건을 충족하도록 ST는 80V ~ 100V 범위의 새로운 전력 MOSFET을 개발하는 중이다. 이렇게 개발된 최초의 100V 프로토타입을 다음과 같이 48V 대 12V DC-DC 컨버터 평가 보드를 사용해 측정했다(그림 6).

[그림 6] 새로운 100V 프로토타입 측정을 위한 평가 보드

이 DC-DC 컨버터는 480kHz로 동작하며 전력 MOSFET을 상측은 20Ω 외부 게이트 저항 및 하측은 0Ω을 사용해 구동한다. 이러한 구성은 제어 스위치의 턴오프 시 전압 스파이크를 억제하고 하측으로 밀러 효과를 최소화하는 데 유용하다. 실제로 빠른 스위칭과 그에 따른 dV/dt로 인해 고유의 MOSFET 게이트 저항, 출력 드라이버 임피던스, 외부 게이트 저항을 통해 용량성 전류가 게이트 루프로 다시 흐를 수 있다. 이 현상이 발생되면 MOSFET을 잘못된 방식으로 턴온시키고 교차 전도를 일으킴으로써 시스템을 손상시킬 수 있다. 표 1은 4.6mΩ 디바이스로 측정된 파라미터들을 보여준다.

[표  1] 새로운 MOSFET 기술 프로토타입을 사용한 측정 파라미터

측정된 게이트 전하 값을 보면 이 기술이 하드 스위칭 및 고주파 애플리케이션에 적합하다는 점을 알 수 있다. 이 새 기술의 성능을 입증하기 위해 480kHz로 전용 테스트를 실시했다(그림 7).

  

[그림 7] F7 디바이스(왼쪽)와 새로운 MOSFET 프로토타입(오른쪽)의 측정 파형

이는 차량용 애플리케이션으로 통상적인 동작 조건은 아니지만, MOSFET을 더 빠르게 스위칭함으로써 스위칭 손실을 줄일 수 있다는 점을 보여준다. 더 낮은 게이트 전하, 커패시턴스, 역 복구 전하가 스위칭 시간을 단축하고 스위칭 손실을 낮추면서 경부하 효율(그림 8)을 향상시키고 발열(그림 9)을 최소화해준다.

[그림 8] F7 디바이스와 새로운 MOSFET 프로토타입 사용시 DC-DC 컨버터의 측정 효율

  

[그림 9] 새로운 MOSFET 프로토타입 사용시 부하 전류에 따른 온도 상승 측정

위 그림은 FR4 4레이어 PCB로 솔더링하고 추가적인 팬 냉각을 사용하지 않고 20분간 연속 동작 후에 LS와 HS 디바이스 모두의 온도 측정 결과를 보여준다. 열 관리를 위해 PCB의 열 기능만 사용하고 있다.

맺음말

ST는 더 높은 효율과 더 우수한 스위칭 성능을 달성하고자 하는 마일드 하이브리드 시장 고객들의 요구를 충족하기 위해 2022년에 새로운 STripFET 100V 시리즈를 내놓을 예정이다. 이 전체 제품 포트폴리오는 시스템 설계 기능에 따라 4위상 또는 6위상 아키텍처를 지원하도록 출시된다. 

[참고문헌]

[1] Z. Amjadi and S. S. Williamson, Power-Electronics-Based Solutions for Plug-in Hybrid Electric Vehicle Energy Storage and Management Systems, IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 57, no. 2, Feb. 2010 

[2] E. A. Jones, M. de Rooij and S. Biswas, GaN Based DC-DC Converter for 48V Automotive Applications, IEEE Workshop on Wide Bandgap Power Devices and Applications in Asia (WiPDA Asia), Taipei, Taiwan, 23-25 May 2019

[3] N. Mohan, T. M. Undeland, W. P. Robbins, Power Electronics Converters, Applications and Design, 2nd edition J. Wiley & Sons NY 1995

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(끝)
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