SiC MOSFET에서 EV 제동 인버터 효율성 개선을 위한 설계 방법

엔지니어는 최신 전기 자동차(EV)의 성능과 주행 거리 간에 상호 절충을 수행해야 합니다. 가속과 순항 속도를 높일수록 충전을 위해 멈추는 횟수와 시간이 늘어납니다. 그 대신에, 차분하게 주행할수록 주행 거리가 길어집니다. 구동기의 성능을 높이면서 주행 거리를 늘리기 위해 엔지니어는 최대한 많은 배터리 에너지를 구동 휠에 전달하는 구동 트레인을 설계해야 합니다. 또한 구동 트레인을 차량의 제약 조건에 맞는 작은 크기로 유지하는 것이 중요합니다. 이 두 요구 사항을 충족하려면 고효율 고에너지 밀도 부품이 필요합니다.

EV 구동 트레인의 핵심 부품은 배터리의 DC 전압을 차량의 전기 모터에 필요한 AC 전압으로 변환하는 3상 전압 소스 인버터(“제동 인버터”)입니다. 성능과 주행 거리 간 상호 절충을 줄이려면 효율적인 제동 인버터를 제작해야 합니다. 효율성을 개선하는 주요 방법 중 하나는 와이드 밴드갭(WBG), 실리콘 카바이드(SiC) 반도체 소자를 적절히 활용하는 것입니다.

이 기사에서는 EV 제동 인버터의 역할을 설명하고, SiC 전력 금속 산화 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)를 사용하는 장치를 설계하여 절연 게이트 양극 트랜지스터(IGBT)를 사용하는 장치보다 더 효율적인 EV 구동 트레인을 생산할 수 있는 방법을 살펴봅니다. 마지막으로 SiC MOSFET 기반 제동 인버터의 예를 소개하고, 장치의 효율성을 극대화하는 방법에 관한 설계 팁을 제공합니다.

제동 인버터란?

EV의 제동 인버터는 차량의 고전압 배터리(HV)에서 제공되는 DC 전류를 전기 모터로 차량을 구동하는 데 필요한 토크를 생성하는 데 필요한 AC 전류로 변환합니다. 제동 인버터의 전기 성능은 차량의 가속과 주행 범위에 큰 영향을 미칩니다.

최신 제동 인버터는 400V HV 배터리 시스템으로 구동되며, 800V 설계가 적용된 제품도 있습니다. 제동 인버터 전류가 300A 이상이고 800V 배터리 시스템에 의해 구동되는 장치는 200kW 이상의 전력을 공급할 수 있습니다. 전력은 커진 반면에 인버터의 크기는 축소되어 출력 밀도가 크게 높아졌습니다.

400V 배터리 시스템이 탑재된 EV는 600V ~ 750V 등급의 전력 반도체 소자가 탑재된 제동 인버터가 필요하고, 800V 차량의 경우 900V ~ 1200V 등급 반도체 소자가 필요합니다. 또한 제동 인버터에 사용되는 전력 부품은 30초 동안 500A 이상의 피크 AC 전류를 처리하고 1밀리초(ms) 동안 1600A의 피크 AC 전류를 처리할 수 있어야 합니다. 또한 장치에 사용되는 스위칭 트랜지스터와 게이트 구동기는 높은 제동 인버터 효율성을 유지하면서 이 정도의 큰 부하를 처리할 수 있어야 합니다(표 1).

표 1: 일반 2021 제동 인버터 요구 사항: 2009에 비해 에너지 밀도가 250% 증가했습니다. (이미지 출처: Steven Keeping)

제동 인버터는 일반적으로 하프 브리지 소자(하이사이드 스위치 + 로우사이드 스위치) 3개(모터 위상당 1개)와 각 트랜지스터의 로우사이드 스위칭을 제어하는 게이트 구동기로 구성됩니다. 차량의 나머지 시스템을 구동하는 저전압(LV) 회로에서 전체 조립품을 전기적으로 분리해야 합니다(그림 1).

그림 1: EV는 고전압(HC) DC 배터리 전력을 차량의 전기 모터에 필요한 AC 전력으로 변환하는 3상 전압 소스 인버터(제동 인버터)를 필요로 합니다. 제동 인버터를 비롯한 HV 시스템은 차량의 일반적 12V 시스템과 분리됩니다. (이미지 출처: ON Semiconductor)

그림 1에 표시된 예시의 스위치는 IGBT입니다. 이 스위치는 높은 전압을 처리하고, 빠르게 전환되며, 효율성이 우수하고, 상대적으로 경제적이므로 제동 인버터에 널리 사용됩니다. 하지만 SiC 전력 MOSFET의 가격이 인하되고 출시되는 제품이 증가하면서 엔지니어는 IGBT에 비해 장점이 많은 이 부품으로 전환하고 있습니다.

고효율 게이트 구동기용 SiC MOSFET의 장점

기존 실리콘(Si) MOSFET 및 IGBT에 비해 뛰어난 SiC 전력 MOSFET의 주요 성능 장점은 장치의 WBG 반도체 기판에서 기인합니다. 밴드갭 에너지가 Si MOSFET은 1.12eV인 반면에 SiC MOSFET는 3.26eV입니다. 즉, WBG 트랜지스터는 Si 소자보다 훨씬 높은 항복 전압에 견딜 수 있으며, 항목 전기장 전압이 Si보다 약 10배 더 높습니다. 높은 항복 전기장 전압으로 인해 주어진 전압에 대한 소자 두께를 줄여서 "온"스테이트 저항(R_DS(ON))과 스위칭 손실을 줄이고 전류 용량을 개선할 수 있습니다.

SiC의 다른 주요 장점으로는 열 전도율이 Si보다 약 3배 더 높습니다. 높은 열 전도율로 인해 주어진 내전력에서 접합 온도(T_j) 상승이 감소됩니다. 또한 SiC MOSFET은 Si보다 높은 최대 접합 온도(T_j(max))를 견딜 수 있습니다. Si MOSFET의 일반 T_j(max) 값은 150˚C이고, SiC 소자는 최대 600˚C의 T_j(max)를 견딜 수 있지만, 상용 소자는 일반적으로 175˚C ~ 200˚C 등급입니다. 표 2에서는 Si와 4H-SiC(MOSFET을 제조하는 데 일반적으로 사용되는 SiC의 결정질 형태)의 속성을 비교합니다.

표 2: SiC MOSFET은 항목 전기장, 열 전도율 및 최대 접합 온도로 인해 고전류 및 고전압 스위칭 응용 분야에서 Si보다 널리 사용됩니다. (이미지 출처: ON Semiconductor)

높은 항복 전압, 낮은 R_DS(ON), 높은 열 전도율 및 높은 T_j(max)로 인해 SiC MOSFET은 유사한 크기의 Si MOSFET보다 훨씬 높은 전류 및 전압을 처리할 수 있습니다.

또한 IGBT는 높은 전압과 전류를 처리할 수 있고 대체로 SiC MOSFET보다 더 저렴하여 제동 인버터 설계에서 널리 사용됩니다. 특히, 개발자가 에너지 밀도를 최대화하려는 경우 IGBT는 "테일 전류"와 상대적으로 느린 꺼짐으로 인해 최대 작동 주파수가 제한된다는 단점이 있습니다. 이에 반해 SiC MOSFET은 Si MOSFET과 동등한 고주파 스위칭을 처리하면서, IGBT와 동등한 전압 및 전류를 처리할 수 있습니다.

SiC MOSFET의 폭넓은 가용성

최근까지 SiC MOSFET은 상대적으로 높은 가격으로 인해 고급 EV용 제동 인버터로 사용이 제한되었지만, 가격이 하락하면서 SiC MOSFET이 다양한 용도로 사용되고 있습니다.

이 차세대 SiC 전력 MOSFETS의 두 가지 예로 ON Semiconductor의 NTBG020N090SC1과 NTBG020N120SC1이 있습니다. 두 장치의 주요 차이점은 전자의 경우 게이트-소스 전압(V_GS)이 0V이고 연속 드레인 전류(I_D)가 1mA일 때 최대 드레인-소스 항복 전압(V_(BR)DSS)이 900V인 반면에, 후자의 경우 동일한 조건에서 최대 V_(BR)DSS가 1200V입니다. 두 장치의 최대 T_j는 175˚C입니다. 두 장치 모두 D2PAK-7L 패키지의 단일 N채널 MOSFET입니다(그림 2).

그림 2: NTBG020N090SC1 및 NTBG020N120SC1 N채널 SiC 전력 MOSFET은 모두 D2PAK-7L 패키지로 제공되며 V_(BR)DSS 값은 각각 900V 및 1200V입니다. (이미지 출처: Steven Keeping, ON Semiconductor의 출처 자료에 기반)

NTBG020N090SC1의 경우 V_GS가 15V(I_D = 60A, T_j = 25˚C)일 때 R_DS(ON)가 20mΩ이고, V_GS가 18V(I_D = 60A, T_j = 25˚C)일 때 R_DS(ON)가 16mΩ입니다. 최대 연속 드레인-소스 다이오드 순방향 전류(I_SD)는 148A(V_GS = −5V, T_j = 25˚C)이고, 최대 펄스 드레인-소스 다이오드 순방향 전류(I_SDM)는 448A(V_GS = −5V, T_j = 25˚C)입니다. NTBG020N120SC1의 경우 V_GS가 20V(I_D = 60A, T_j = 25˚C)일 때 R_DS(ON)가 28mΩ입니다. 최대 I_SD는 46A(V_GS = −5V, T_j = 25˚C)이고, 최대 I_SDM은 392A(V_GS = −5V, T_j = 25˚C)입니다.

SiC MOSFET으로 설계

이러한 장점에도 불구하고 SiC MOSFET을 제동 인버터 설계에 통합하려는 설계자는 심각한 복잡성을 인식해야 합니다. 트랜지스의 게이트 구동 요구 사항은 까다롭습니다. 이러한 문제 중 일부는 Si MOSFET에 비해 SiC MOSFET의 트랜스콘덕턴스가 낮고 내부 게이트 저항이 높기 때문에 발생하며, 게이트 켜기 임계값이 2V 미만일 수 있습니다. 따라서 꺼진 상태에서 적절한 스위칭을 보장하려면 게이트를 접지 아래(일반적으로 −5V)로 당겨와야 합니다.

하지만 주요 게이트 구동 문제는 낮은 R_DS(ON)를 보장하기 위해 높은 V_GS(최대 20V)를 적용해야 하기 때문에 발생합니다. 너무 낮은 V_GS에서 SiC MOSFET을 작동하면 내전력으로 인해 열응력이 나타나거나 오류가 발생할 수 있습니다(그림 3).

그림 3: NTBG020N090SC1 SiC MOSFET의 경우 높은 R_DS(ON)에서 열응력을 방지하려면 높은 V_GS가 필요합니다. (이미지 출처: ON Semiconductor)

또한 SiC MOSFET은 저이득 소자이므로 설계자는 게이트 구동 회로를 설계할 때 다양한 중요 동적 특성에 미치는 영향을 고려해야 합니다. 이러한 특성으로는 게이트 전하 밀러 플라토와 과전류 보호 요구 사항이 있습니다.

이러한 설계 복잡성으로 인해 다음과 같은 특성을 가진 특수 게이트 구동기가 필요합니다.

• SiC MOSFET 성능 장점을 최대한 활용하려면 -5V ~ 20V의 V_GS 구동 전압을 공급할 수 있어야 합니다. 이 요구 사항을 충족하는 적절한 오버헤드를 제공하려면 게이트 구동 회로가 V_DD = 25V 및 V_EE = −10V에 견딜 수 있어야 합니다.
• V_GS가 몇 나노초(ns) 이내에 빠르게 상승하고 하강해야 합니다.
• 게이트 구동기가 전체 MOSFET 밀러 플라토 영역에서 몇 암페어 정도의 높은 피크 게이트 전류를 소싱할 수 있어야 합니다.
• 정격 싱크 전류가 SiC MOSFET의 입력 정전 용량을 방전하는 데 필요한 것보다 커야 합니다. 고성능 하프 브리지 전력 토폴로지의 경우 약 10A의 최소 정격 피크 싱크 전류를 고려해야 합니다.
• 고속 스위칭을 위한 낮은 기생 유도 용량이 필요합니다.
• SiC MOSFET에 최대한 가깝게 배치하고 에너지 밀도를 높일 수 있는 소형 구동기 패키지가 필요합니다.
• 장기적으로 안정적인 작동을 위해 감지, 고장 보고 및 보호 가능한 불포화(DESAT) 기능이 필요합니다.
• V_DD 부족 전압 차단(UVLO) 수준이 스위칭 시작 전에 V_GS가 16V를 초과해야 한다는 요구 사항을 충족해야 합니다.
• 음전압 레일이 허용 범위 이내에 오도록 보장하는 V_EE UVLO 모니터링 기능이 필요합니다.

ON Semiconductor는 이러한 요구 사항을 충족하도록 설계된 게이트 구동기를 제동 인버터 설계에 도입했습니다. NCP51705MNTXG SiC MOSFET 게이트 구동기는 SiC MOSFET뿐 아니라 다양한 제조업체의 장치와 호환되는 높은 수준의 통합을 제공합니다. 이 장치는 범용 게이트 구동기에 일반적인 다양한 기본 기능을 포함하며, 최소한의 외부 부품을 사용하여 안정적인 SiC MOSFET 게이트 구동 회로를 설계하는 데 필요한 특수 요구 사항을 지원합니다.

예를 들어 NCP51705MNTXG는 단 두 개의 외부 부품만 사용하여 구현될 수 있는 DESAT 기능을 통합합니다. DESAT는 최대 I_D에서 V_DS가 상승할 수 있는 고장을 모니터링하기 위한 IGBT 및 MOSFET용 과전류 보호의 한 형태입니다. 이는 효율성에 영향을 주어 최악의 경우 MOSFET을 손상시킬 수 있습니다. 그림 4는 NCP51750MNTXG에서 R1 및 D1을 사용하여 DESAT를 통해 MOSFET(Q1)의 V_DS를 모니터링하는 방법을 보여줍니다.

그림 4: NCP51705MNTXG의 DESAT 기능은 최대 I_D 기간 동안 비정상적인 동작의 V_DS를 측정하고 과전류 보호를 구현합니다. (이미지 출처: ON Semiconductor)

또한 NCP51705MNTXG 게이트 구동기는 프로그래밍 가능 UVLO를 제공합니다. V_DD가 알려진 임계값을 초과할 때까지 스위칭 부품의 출력을 비활성화할 수 있으므로 이는 SiC MOSFET을 구동할 때 중요한 기능입니다. 구동기가 낮은 V_DD에서 MOSFET를 전환하도록 허용하면 장치가 손상될 수 있습니다. NCP51705MNTXG의 프로그래밍 가능 UVLO는 부하를 보호하는 동시에 컨트롤러에서 적용된 V_DD가 켜기 임계값을 초과하는지 확인합니다. UVLO 켜기 임계값은 UVSET과 SGND 사이의 단일 저항기를 사용하여 설정합니다(그림 5).

그림 5: NCP51705MNTXG SiC MOSFET을 위한 UVLO 켜기 임계값은 원하는 UVLO 켜기 전압 V_ON에 따라 선택되는 UVSET 저항기 R_UVSET에 의해 설정됩니다. (이미지 출처: ON Semiconductor)

제동 인버터의 디지털 분리

제동 인버터 설계를 완료하기 위해 엔지니어는 차량 전자 부품의 LV 사이드를 인버터를 통해 전달되는 고전압 및 고전류와 분리해야 합니다(위 그림 2). 하지만 HV 게이트 구동기를 제어하는 마이크로 프로세서가 LV 사이드에 있으므로 분리 상태에서 마이크로 프로세서에서 게이트 구동기까지 디지털 신호를 전달할 수 있어야 합니다. 또한 ON Semiconductor는 이 기능을 지원하는 NCID9211R2를 제공합니다. 이 부품은 고속 이중 채널 양방향 세라믹 디지털 아이솔레이터입니다.

NCID9211R2는 접지 루프 또는 위험한 전압을 전도하지 않고 시스템 간에 디지털 신호를 전달할 수 있는 전기적으로 분리된 전이중 디지털 아이솔레이터입니다. 이 장치는 2000V_peak 최대 작동 분리 전압, 100kV/ms 공통 모드 제거율 및 50Mb/s 데이터 처리량을 지원합니다.

오프칩 세라믹 커패시터는 그림 6에 표시된 분리 장벽을 형성합니다.

그림 6: 단일 채널 NCID9211R2 디지털 아이솔레이터를 보여주는 제품 구성도. 오프칩 커패시터는 분리 장벽을 형성합니다. (이미지 출처: ON Semiconductor)

디지털 신호는 OOK(온/오프 키잉) 변조를 사용하여 분리 장벽을 통해 전송됩니다. 송신기 측에서 V_IN 입력 논리 상태는 고주파 반송파 신호를 통해 변조됩니다. 결과 신호는 증폭되어 분리 장벽에 전송됩니다. 수신기 측에서 장벽 신호를 감지한 후 엔벨로프 감지 기술을 사용하여 복조합니다(그림 7). 출력 사용 제어 EN이 높은 경우 출력 신호에 따라 V_O 출력 논리 상태가 결정됩니다. 송신기 전원 공급 장치가 꺼져 있거나 V_IN 입력이 분리된 경우 V_O는 기본적으로 고임피던스 낮은 상태로 설정됩니다.

그림 7: NCID9211 디지털 아이솔레이터는 OOK 변조를 사용하여 분리 장벽을 통해 디지털 정보를 전송합니다. (이미지 출처: ON Semiconductor)

결론

SiC 전력 MOSFET은 EV용 고효율 고전력 밀도 제동 인버터에 적합한 옵션이지만, 전기적 특성으로 인해 게이트 구동기 및 장치 보호와 관련한 고유한 설계 문제가 있습니다. 설계 문제에 더하여 엔지니어는 제동 인버터 설계가 차량의 민감한 LV 전자 부품으로부터 높은 수준의 분리를 제공하는지 확인해야 합니다.

위에서 살펴본 바와 같이 용이한 엔지니어링 개발을 위해 ON Semiconductor는 제동 인버터의 요구 사항을 충족하고 현대 EV의 긴 주행 거리와 우수한 성능을 효율적으로 조율하는 다양한 SiC MOSFET, 특수 게이트 구동기 및 디지털 아이솔레이터를 제공합니다.