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전기자동차 시스템을 위한 절연 애플리케이션의 이해
편집부 기자  |  people@iomedia.co.kr
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승인 2018.11.12  11:51:41
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전세계 자동차 OEM들이 전기자동차(EV), 하이브리드 전기자동차(HEV) 및 48V 마일드 하이브리드 전기자동차(MHEV)를 공격적으로 발표하고 있다. 이들 자동차에 활용되는 48V MHEV 시스템은 표준 내연기관(internal combustion engine, ICE)의 엔진 서브 시스템에 대한 전장화를 촉발할 것으로 보인다. 48V MHEV는 비용이 저렴할 뿐 아니라 구동렬(drive train)의 개조가 가능해 자동차 애플리케이션용 전력 전자기기에 대한 수요를 더욱 가속화할 전망이다.
글 | 로스 사볼시크(Ross Sabolcik) 전력 제품 담당 부사장겸 총괄 매니저/실리콘랩스

자동차 설계가 전장화로 옮겨가면서 고출력 전력 전자 장치는 새로운 전자 구동렬 및 배터리 시스템의 핵심 구성 요소가 되었다. 이러한 고출력 전자 장치는 전력 시스템에서 컨트롤러를 전기적으로 절연해야 하는 저전압 디지털 컨트롤러에 의해 통신 및 제어되어야 한다. 

이러한 애플리케이션에서는 디지털 컨트롤러가 최신 전기 자동차의 고전압 시스템과 안전하게 인터페이스 할 수 있도록 갈바닉 절연(galvanic isolation)이 필요하며, 이들은 대개 반도체 기반 절연 기술이다.
 
EV 시스템의 개요
전통적인 ICE 차량과 경쟁하려면 EV/HEV에 사용되는 배터리는 매우 높은 에너지 저장 밀도를 가져야 한다. 자체 누설 전류는 거의 없어야 하고, 충전 시간도 불과 몇 분밖에 걸리지 않아야 한다. 배터리 관리 및 관련 전력 변환 시스템은 크기와 무게를 최소화해야 하며, 배터리 전류를 ‘끌어 모아서’ 한꺼번에 많은 양의 고효율 전력을 전기 모터에 공급해야 한다. 
최신 EV/HEV 설계는 구동렬 및 에너지 저장 및 변환 시스템에 모듈형 부품들을 사용한다. EV/HEV 배터리 관리 시스템(battery management system, BMS)은 일반적으로 다음과 같은 4 개의 주요한 회로 어셈블리를 포함한다:
 
● 내장형 충전기(OBC): 역률 보정(power factor correction) 기능을 갖춘 AC/DC 컨버터로 구성된 내장형 충전기로 충전되고 BMS에 의해 감독되는 리튬이온 배터리에 에너지를 저장한다.
● 배터리 관리 시스템(BMS): BMS가 배터리 셀을 모니터링 및 관리함으로써 높은 효율성과 안전성을 보장한다. BMS는 각 배터리 셀의 충전 상태, 건전도, 방전 깊이 및 컨디셔닝을 제어한다.
● DC/DC 컨버터: DC/DC 컨버터는 고전압 배터리를 내부 12V DC 네트워크에 연결한다. 이 네트워크는 액세서리에 전력을 공급하고 로컬 스위칭 컨버터에 바이어스를 제공한다.
● 주 인버터: 주 인버터는 전기 모터를 구동하고 회생 제동에 사용되며 배터리에 에너지를 반환한다.
 
그림 1은 이러한 주요 회로 어셈블리와 함께, EV에서 제어 또는 통신이 이루어져야 하는 다른 많은 서브 시스템들을 보여준다.
 
EV 시스템은 디지털 컨트롤러와의 인터페이스를 위해 견고하고 성능이 뛰어난 절연을 필요로 하며, 이를 통해 300V가 넘는 전압으로부터 시스템을 보호한다. 그림 2의 OBC 같은 이러한 서브 시스템은 일반적으로 차량의 다른 서브 시스템들로부터 절연되어야 하는 CAN 버스를 통해 제어된다.

EV의 저전압 컨트롤러는 높은 전류와 전기적 스위칭 때문에 때로는 잡음이 많은 연결을 통해 고전압 서브 시스템에 들어있을 수 있는 다른 부품들에 디지털 통신 신호를 전송해야 할 때가 있다. 또한 고전압 전력 트랜지스터는 저전압 컨트롤러로부터 절연되고, 이것에 의해 제어되어야 하는데, 이 역시 해당 시스템의 다른 고전압 섹션에서 전류 또는 전압을 측정할 필요가 있다.

전기 충전 파일 같은 EV 외부의 다른 시스템 역시 비슷한 시스템 요건과 절연 필요성을 갖고 있다.
표 1에 정리된 절연 부품들은 EV 시스템에서 통신 및 제어가 가능하도록 자주 사용되는 것들이다.
 
다양한 종류의 절연 기술들이 전기 자동차에 적용되면서 자동차 제조사들은 구식 옵토 커플러 기반의 솔루션에서 벗어나 점점 더 최신 반도체 기반 절연 기술로 옮겨가고 있다. 이러한 최신 아이솔레이터는 요구조건이 까다로운 오토모티브 애플리케이션에서 옵토 커플러에 비해 많은 장점을 제공하는데, 여기에는 더 긴 수명, 온도와 연식에 대한 크게 향상된 안정성, 더 빠른 스위칭 속도, 그리고 훨씬 더 우수한 잡음 내성 등이 포함된다. 

갈수록 높아지는 전력 밀도를 충족하기 위해 자동차 부품 공급사들이GaN 또는 SiC 같은 와이드 밴드갭(WBG) 전력 트랜지스터를 목표로 함에 따라, 반도체를 기반으로 하는 절연 기술의 장점도 더욱 중요해지고 있다. 이러한 GaN 또는 SiC 시스템은 시스템 자기장의 크기를 줄이기 위해 더 높은 스위칭 속도를 사용하기 때문에 상당히 높은 전기적 잡음을 발생할 수 있다. 반도체 절연은 이러한 더 높은 속도와 잡음이 많은 환경에 적합하다.

이들 시스템의 크기를 줄이고 전력 밀도를 높이면 동작 온도가 높아져, 결국 옵토 커플러에 부담을 주고 성능을 떨어뜨릴 수 있다. 반도체 기반의 절연 기술은 이처럼 높은 동작 온도 범위에서 성능과 신뢰성이 훨씬 뛰어나므로 오토모티브 EV 설계에 이상적이다.
 
내장형 충전기(OBC) 개요
OBC(on-board charger) 시스템은 차량용 배터리 팩을 충전하기 위해 표준 AC 충전 전원을 DC 전압으로 변환하는 역할을 담당한다. 또한 OBC는 전압 모니터링 및 보호와 같은 주요한 기능들도 수행한다. 그림 2는 OBC 시스템을 간략히 나타낸 것이다. 
 
이 OBC 시스템은 AC 입력 소스를 받아서 전파 정류기(full wave rectifier)를 통해 고전압 DC 버스 전압으로 변환한 다음, 역률 보정(PFC) 기능을 수행한다. 그렇게 해서 얻은 DC 신호는 필요한 출력 DC 전압을 만들기 위한 변압기 구동에 사용하기 위해 스위칭 된 구형파로 절단된다. 입력 신호의 절단(chopping)은 실리콘랩스의 Si8239x 디바이스 같은 절연형 게이트 드라이버를 사용하여 수행된다.

출력 전압은 절연형 게이트 드라이버에 의해 제어되는 동기식 FET를 사용하여 최종 DC 전압으로 필터링 할 수 있다. 실리콘랩스의 Si892x 디바이스 같은 절연형 아날로그 센서를 사용하면 이 출력 전압을 모니터링 하여 폐쇄 루프 피드백을 시스템 컨트롤러에 제공할 수 있다.

전체 시스템은 절연형 CAN 버스를 통해 모니터링 및 제어가 가능하다. 이 CAN 버스는 디지털 아이솔레이터로 절연되는데, 경우에 따라 실리콘랩스의 Si86xx 및 Si88xx 아이솔레이터 같은 DC/DC 전력 컨버터가 통합되기도 한다.
 
배터리 관리 시스템(BMS)과 CAN 버스
그림 3에 나타낸 개략적인 BMS 시스템을 보면 EV 서브 시스템 중 하나와 인터페이스 하고자 할 때 신호 절연과 전원 절연이 얼마나 중요한지를 잘 알 수 있다. 대부분의 EV 서브 시스템에서 CAN 버스는 디지털 절연을 통해 해당 서브 시스템의 고전압과 분리된다. 최신 디지털 절연 기술은 절연체의 양쪽(고전압 영역과 저전압 영역)에 전원공급장치를 요구한다. 이 전원공급장치는 CAN 버스 트랜시버 같이 아이솔레이터에 부착된 다른 디바이스에 전력을 공급하는 데에도 사용할 수 있다.

그림 3에 표시된 고전압 영역은 배터리 팩이 있는 쪽이고, 저전압 영역은 CAN 트랜시버가 있는 쪽이다. 이 예시는 CAN 버스 인터페이스에 초점을 맞추고 있으며, 마이크로컨트롤러(MCU)와 배터리 팩 사이에는 추가적인 절연이 있을 가능성이 높다.
 
통합 DC/DC 변환을 포함하는 전체 절연 솔루션을 사용하면 전체 시스템 설계의 크기와 복잡성을 줄일 수 있다. 이처럼 전원을 통합한 절연 솔루션은 CAN 버스 트랜시버를 통합하고 있는 자동차의 수많은 서브 시스템에 사용할 수 있다.
 
트랙션 모터 시스템에서의 절연
자동차 바퀴에 동력을 전달하는 것은 EV의 최종 단계로서, 이를 위해서는 몇 가지 핵심적인 절연 부품들을 설계에 포함해야 한다. 트랙션 모터 구동 시스템은 배터리의 고전압 DC 출력을 받아 트랙션 모터를 구동하는 데 필요하다. 대부분의 EV에 사용되는 트랙션 모터는 AC 유도 모터이다. 이 모터를 구동하기 위해, 트랙션 모터 컨트롤러는 배터리 팩에 의해 만들어진 고전압 DC 레일로부터 가변 AC 파형을 합성해야 한다.

이러한 시스템은 모터 컨트롤러와 파워 트랜지스터 사이에 절연형 드라이버를 필요로 한다. 절연을 통해 저전압 컨트롤러는 고전력 트랜지스터를 안전하게 스위칭하여 AC 파형을 생성할 수 있게 해준다. 이 외에도, 이 모터 제어 시스템에는 절연된 CAN 버스가 포함될 수 있으며, 또한 속도와 토크의 모니터링 및 제어를 위해, 모터에 인가되는 전류를 감지하기 위한 몇몇 방법들이 포함될 수도 있다. 그림 4는 다양한 디지털 절연 장치를 사용하는 트랙션 모터 제어 시스템을 간략화 하여 나타낸 것이다.
 
자동차의 절연과 관련한 기타 고려 사항
자동차의 전자 장치는 일반적인 산업용 시스템보다 엄격한 테스트 및 품질 표준을 만족해야 한다. 대부분의 자동차 제조사들은 AEC Q-100 표준의 철저한 준수, ISO/TS16949 감사 준수, -40℃ ~ + 125℃의 확장된 동작 온도 범위, 그리고 극히 낮은 불량률을 요구한다.

이처럼 요구 사항들이 강화됨에 따라, 자동차 전장 공급회사들은 자신들의 제품이 고객의 요구를 충족한다는 것을 보장하기 위해 추가적인 조치를 마련할 필요가 있다. 웨이퍼 팹, 디바이스 패키징 및 최종 조립 과정에서 추가적인 품질 관리가 필요하다.

진정한 자동차 등급의 디바이스를 제공하기 위해서는, 향상된 디바이스 파라미터들을 PPAP(Part Production Approval Process), IMDS(International Material Data Systems) 및 CAMDS(China Automotive Material Data Systems) 같은 품질 시스템과 문서로 지원해야만 한다.
 
결론
자동차 전장화 경쟁이 갈수록 가열되고 있고, 자동차 제조사들이 출시하는 전기차 모델 수도 매년 점점 더 늘어나고 있다. EV의 수와 종류의 증가는 전장 부품 공급사들이 차량의 전력 전자 시스템 분야에 자신들의 디바이스 공급을 늘릴 수 있는 기회를 제공한다. 

이들 구동 시스템은 고전압에 노이즈도 많은 자동차 애플리케이션 환경에서 보다 안전하고 신뢰할 수 있는 동작 성능을 보장하기 위해 견고하고 우수한 성능의 갈바닉 절연을 필요로 한다. 
EV 서브 시스템의 와트 수는 점점 높아지는 데 반해 크기는 줄어들어 전력 밀도가 갈수록 높아짐에 따라 노이즈 조건 역시 열적으로나 전기적으로나 점점 더 까다로워지고 있다. 반도체 기술을 기반으로 하는 절연 기법은 레거시 옵토 커플러 솔루션보다 월등한 장점을 제공하므로 까다로운 EV 애플리케이션에서 이상적이다.

자동차 분야는 일반 산업 분야보다 더 넓은 작동 온도, 더 높은 품질, 그리고 더 엄격한 문서화 및 시스템을 요구한다. 이 모든 요구 사항을 충족하는 전장 공급회사만이 향후 EV 시대에 순항할 수 있을 것으로 판단된다.
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