폭스바겐 전기차 ‘ID.3’ 속엔 어떤 반도체가?

차량용 반도체와 인피니언의 ‘하이브리드팩 드라이브’

[테크월드=선연수 기자] 작년 5월 완성차 업체 폭스바겐과 반도체 업체 인피니언이 손을 맞잡았다. 기존에도 꾸준히 협력해오던 관계였으나, 폭스바겐 그룹 네트워크 FAST(Future Automotive Supply Tracks) 파트너로서 인피니언이 본격적으로 합류하게 된 것이다.

이처럼 친환경차, 그중에서도 전기차에 대한 수요가 높아지고 있기에 완성차 기업은 기존의 자동차 부품 업체를 넘어 전력 반도체 업체와 어깨동무를 해야 하는 상황에 이르렀다.

자동차 속 다양한 반도체들

자동차에 적용되는 반도체는 기능에 따라 IC, 마이크로 컴포넌트, SoC(System on Chip)로 구분지을 수 있다. 먼저, IC는 엔진의 높은 전류를 관리하는 구동 IC와 발전 장치에서 만들어진 전류를 장치에 공급하는 전원 IC로 나눠진다. 에어컨, 센서, 전동화된 윈도우, 조명 등 차량 내 편의 기능이 늘어날수록 탑재되는 IC도 증가한다.

마이크로 컴포넌트는 MPU, MCU, DSP 등으로 구분되며, 자동차에서는 MCU(Microcontroller unit)가 특히 중요한 역할을 맡는다. 차량 내 각 시스템의 두뇌에 해당하는 ECU(Electronic Control Unit)의 핵심이기 때문이다. 이는 전장 시스템을 제어한다. 전기차에서는 EPCU(Electric Power Control Unit)라는 이름으로 기존의 차량 내부 시스템의 전력 관리에 모터 제어 기능까지 더한 시스템이 집적되고 있다.

SoC는 이런 시스템 반도체들을 하나의 칩에 통합하는 기술이다. 자동차에 집적되는 반도체가 계속 늘어남에 따라 하나의 칩으로 통합해 복잡성을 낮추는 것이다. 전기차(EV)나 하이브리드 전기차(HEV)는 내연기관 차량보다 소비하는 전력량이 훨씬 크기 때문에 차량 반도체의 저전력 성능이 상당히 중요하다.

ID.3의 모듈식 전기차 구동 플랫폼

폭스바겐 ID.3 속 인피니언의 기술들

작년 9월 ‘2019 프랑크푸르트 모터쇼’에서 폭스바겐의 순수 전기차 ID.3가 베일을 벗었다. ID.3 속에는 인피니언의 ‘하이브리드팩 드라이브(HybridPACK Drive)’가 탑재돼 있다. 이는 최대 150kW의 전력 범위 내에서 전기차(EV) 또는 하이브리드 전기차(HEV)와 같은 xEV의 인버터 시스템에 최적화된 IGBT 기반 전력 모듈이다.

전기 구동계에서 인버터는 전기 모터를 제어하는 역할을 한다. 내연기관의 엔진 관리 시스템(EMS, Engine Management System)과 같이 운전에 큰 영향을 주는 핵심 요소다. 전기차 모터가 동기식인지, 비동기식인지, 브러시리스 DC(Brushless DC)인지에 관계없이 인버터는 항상 유사한 방식으로 작동한다.

인버터는 스위칭 손실을 최소화하고 열효율을 최대화할 수 있도록 설계돼야 한다. 전기모터를 구동할 뿐만 아니라, 회생 제동을 통해 방출된 에너지를 포착하고 다시 에너지로 공급해야 하기 때문이다. 즉, 메인 인버터의 효율성은 xEV의 주행거리와 직결된다.

인피니언의 하이브리드팩 드라이브에는 EDT2 칩셋이 적용되는데, 이는 효율성이 우수해 차량 내부와 같은 가혹한 환경에서도 단락 회로 견고성, 우수한 경부하 전력 손실률, 높은 블로킹(Blocking) 전압 등을 바탕으로 안정적인 인버터 작동을 유지한다. 예로, WLTP(Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Procedure) 구동 사이클 동안 이전 세대 대비 손실을 20%까지 줄여주며 주행거리를 늘려준다.

하이브리드 팩 드라이브는 전력 클래스에 따라 5가지 버전을 제공한다. 엔지니어는 시스템을 한 번 개발한 뒤에는 다른 버전을 사용해 전력을 확장할 수 있다. 트랙션 인버터는 100kW부터 180kW 이상의 전력 범위를 실현할 수 있도록 돕는다.

이와 같은 인피니언의 전력 모듈은 폭스바겐의 모듈러 전기 드라이브 매트릭스(MEB, Modular electric drive matrix)에서 전기 드라이브를 제어하는 역할을 한다. 향후 생산이 계획된 폭스바겐 차종의 대부분이 인피니언의 기술이 탑재된 MEB에 기반하며, 폭스바겐은 최대 70개의 모델이 이시스템에 기반해 구현될 것이라고 밝혔다. 이 중 ID.3는 MEB에 기반한 첫 번째 전기차다.

하이브리드팩 드라이브의 구조와 성능

이 외에도 ID.3에는 인피니언의 EiceDRIVER IC와 AURIX MCU 등이 적용되며, 해당 칩 기술이 적용된 ID.3는 지난 7월 20일 유럽 시장에서 판매를 개시하고 고객 인도는 9월 시작될 것으로 예상된다. 폭스바겐은 올해 ID.4를 새롭게 공개하기도 했다. 폭스바겐의 MEB 시스템에 적용된 인피니언의 기술 정보는 인피니언 홈페이지를 통해 상세히 살펴볼 수 있다.

자료제공: 인피니언 테크놀로지스(Infineon Technologies)

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