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48V 마일드 하이브리드 전기차 용으로 GaN FET을 사용한 2kW 48V/12V 양방향 전원 모듈 설계

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자료제공/EPC

하이브리드차 시장이 2017년에 2.0%이던 것에서 5.1%로 두 배 이상 성장했으며[1], 2025년에는 전세계적으로 판매되는 10대의 신차 중에서 한 대가 48V 마일드 하이브리드일 것으로 전망된다. 48V 시스템은 연비를 높이고, 엔진 크기를 늘릴 필요 없이 4배의 전력을 제공하고, 시스템 비용을 늘리지 않으면서 이산화탄소 배출을 줄이도록 한다. 48V 마일드 하이브리드는 자동차로 이용할 수 있는 전기 전력을 2.5kW에서 10kW로 끌어올린다[2]. 이러한 시스템으로 1.5kW~6kW 전력 정격으로 48V/12V 양방향 컨버터를 필요로 한다. 또한 설계 시에 크기, 비용, 신뢰성을 중요하게 요구한다.

이 글에서는 48V 마일드 하이브리드 시스템 용으로 QFN 패키지를 적용한 GaN FET을 사용해서 96% 효율을 달성하는 2kW 2위상 48V/12V 양방향 컨버터를 설계하는 것을 설명한다. 이 솔루션은 확장성이 뛰어나다. 2개 컨버터를 병렬로 연결해서 4kW를 제공하거나, 3개 컨버터를 연결해서 6kW를 제공하거나, 혹은 한 위상만을 사용해서 1kW를 제공할 수도 있다. 뿐만 아니라 이 시스템은 자동차 안에서 새시에 탑재되므로 히트싱크 능력이 거의 무한정하다고 할 수 있다.

48V/12V 양방향 DC-DC 컨버터

그림 1은 이 양방향 DC-DC 컨버터의 개략도를 보여준다. 동기 벅/부스트 컨버터가 가장 단순한 양방향 컨버터이므로 이것을 베이스 토폴로지로 선택했다. 여타의 지원 회로로서 전류 센서, 온도 센서, 디지털 컨트롤러, 하우스키핑 전원을 포함한다.

[그림 1] 양방향 컨버터 개략도

48V 애플리케이션에 사용되는 GaN FET은 동급의 MOSFET에 비해서 FOM(다이 면적 · Ron)이 4배 더 우수하다[3]. 5V의 동일한 게이트 전압으로 GaN FET은 게이트 전하가 MOSFET보다 최소한 5배 더 낮다. GaN FET의 그 밖의 이점으로는 더 낮은 Coss, 더 빠른 전압 전이, 제로 역 복구, 물리적으로 더 작은 크기를 들 수 있다.

이 디자인에 채택된 GaN FET은 EPC2302이다[4]. EPC2302는 인덕턴스가 낮은 3mm x 5mm QFN 패키지로서 상단면을 노출시킴으로써 열 관리가 뛰어나다. 1.8mΩ Ron으로 정격 피크 dc 전류는 101A이다. 그러므로 2위상 접근법을 선택해서 FET 전류 요구량을 낮추도록 했다. 다시 말해서 14V 2kW 출력으로 각기 위상으로 dc 전류가 70A이다. 그럼으로써 또한 인덕터로 전류 정격 요구를 낮추도록 한다.

MPQ1918-AEC1[5] 게이트 드라이버는 AEC-Q100 인증을 취득한 것으로서, 부트스트랩 기법에다 전압 클램핑을 사용해서 상측 FET을 구동한다. 이들 드라이버 역시 빠른 전달 시간과 1.5ns 미만의 뛰어난 전달 지연 매칭을 특징으로 한다.

Vishay IHTH-1125KZ-5A 시리즈 인덕터[6]는 높은 전류 정격을 제공한다. 이 디자인으로는 1.0µH 인덕터에 500kHz 스위칭 주파수를 선택해서 80A의 피크 인덕터 전류가 가능하다.

정확한 위상 전류 밸런싱을 위해서는 인덕터 DCR 전류 검출보다 정밀 션트 저항을 사용한 전류 검출이 선호된다. 하지만 정격이 70A 이상인 션트 저항은 풋프린트가 크고, 그러므로 높은 기생 인덕턴스를 발생시킨다. 이 인덕턴스가 높은 잡음을 발생시키고, 그럼으로써 전류 검출 증폭기를 포화시킴으로써 측정을 무효화할 수 있다. 이에 대한 간단한 해결책은 시간 상수를 매칭시킨 RC 필터 네트워크를 추가하는 것이다. 이 디자인에는 MCP6C02 전류 검출 증폭기를 사용하고 있으며, 최대 대역폭 500kHz에 50V/V 이득이다. 그러므로 0.2mΩ 션트로 10mV/A의 총 전류 검출 이득이다.

위상 전류 밸런싱을 위해서 그리고 또 게이트 구동 지연, 스위칭 전이 속도, 오버슈트 같은 여타의 영향을 최소화하기 위해서는 두 위상 사이에 대칭적 레이아웃이 중요하다. 그림 2는 이 디자인으로 GaN FET을 둘러싼 레이아웃을 보여준다. 내부적 수직 레이아웃 기법을 적용하고 있으며[3], FET 가까이로 디커플링 커패시터를 배치하고 바로 하단으로 접지 플레인을 형성하고 있다.

 

[그림 2] GaN FET을 중심으로 PCB의 상단 2개 레이어를 보여준다. (a) 상단면 레이어로 접지(GND), 스위칭 노드(SW), 입력(VIN) 넷 포함, (b) 바로 아래 레이어의 접지 플레인

디지털 제어

이 디자인에는 Microchip의 dsPIC32CK256MP503[5] 디지털 컨트롤러를 사용하고 있다. 16비트 프로세서로서 최대 CPU 속도는 100MIPS이다. PWM 모듈을 고분해능 모드로 구성함으로써 듀티 사이클과 데드 타임으로 250ps 분해능이 가능하다. 그러므로 GaN FET의 높은 성능을 최대한 활용하도록 데드 타임을 세밀하게 조절할 수 있다.

벅 모드와 부스트 모드 모두로 디지털 평균 전류 모드 제어를 사용한다. 전류 검출 회로는 검출 저항과 차동 증폭기로 이루어진다. 이 디자인에는 저손실 0.2mΩ 검출 저항과 저잡음 증폭기 MCP6C02를 사용하고 있다. 그림 3은 이 제어 블록 다이어그램을 보여준다. 각기 개별적인 2개 전류 루프로 동일한 전류 레퍼런스 IREF를 사용한다. 그러므로 두 인덕터로 전류를 동일한 값으로 레귤레이트한다. 2개 내곽 전류 루프의 대역폭은 6kHz로 설정하고, 외곽 전압 루프 대역폭은 800Hz로 설정했다.

[그림 3] 디지털 평균 전류 모드 제어 다이어그램

열 관리

최대 2kW의 출력 전력을 위해서는 GaN FET으로 히트싱크가 필요하다. 이 디자인에는 표준적 1/8브릭 히트싱크를 사용하고 있다. 히트싱크 탑재를 위한 공간을 확보하기 위해서 PCB 상으로 4개의 금속 스페이서를 설치한다. FET과 히트싱크 사이에 열 계면 물질(TIM)이 필요하다. 이 물질은 a) 수축으로 인한 기계적 적합성 요건을 충족하고, b) 전기적 절연 요건을 충족하고, c) 열 전도성이 우수해야 한다. 이 디자인에는 17.8W/mK의 TIM을 사용하고 있다. 그림 4는 3D 히트싱크 설치 뷰를 보여준다.

[그림 4] 히트싱크 설치 뷰로서, 금속 스페이서와 열 계면 물질을 볼 수 있다.

디자인 검증 결과

그림 5는 히트싱크를 탑재하지 않은 상태로 EPC9165[6] 컨버터 모습을 보여준다. 에지 커넥터를 제외하고서 크기가 108mm x 70mm x 40mm이다.

[그림 5] EPC9165 컨버터에 EPC9528 dsPIC33CK 컨트롤러 모듈을 부착한 모습

그림 6은 히트싱크를 설치하고 1700 LFM 에어플로우를 적용해서 컨버터를 48V 입력 대 14.3V 출력으로 500kHz로 테스트했을 때 효율 결과를 보여준다. 500kHz로 1µH 인덕터를 사용해서 97%의 피크 효율을 달성하는 것으로 나타났다. 그림 7은 부스트 모드 동작으로 14.3V 입력 대 48V 출력으로 테스트했을 때 효율 결과이다.

[그림 6] 500kHz로 48V 입력 대 14.3V 출력으로 측정했을 때 컨버터 효율

[그림 7] 500kHz로 14.3V 입력 대 48V 출력으로 측정했을 때 컨버터 효율

최대 부하로 EPC eGaN FET이 500kHz 스위칭 주파수로 96% 효율로 동작할 수 있다. 그러므로 위상당 1kW가 가능하다. 이에 비해서 실리콘 기반 솔루션은 인덕터 전류가 제한됨으로 인해서 100kHz 최대 스위칭 주파수로 위상당 600W로 제한된다.

맺음말

연비 규정이 갈수록 엄격해짐으로써 자동차 제조사들이 이러한 요건을 충족하면서 전기 구동 기능에 필요로 하는 전력을 제공할 수 있는 경제적인 솔루션을 찾고 있다. 이 글에서는 마일드 하이브리드 자동차와 배터리 전원 백업 용으로 4개 EPC2302 GaN FET을 사용해서 양방향 고전력 컨버터를 설계하는 것을 소개했다. 이 컨버터는 48V와 14.3V 사이의 변환으로 500kHz 스위칭 주파수로 96% 이상의 효율을 달성한다. 확장성 뛰어난 이 솔루션을 사용해서 최신 48V 마일드 하이브리드 시스템의 전력 요구를 수월하게 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

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