[테크리포트] EV·자율차, 1마이크로초 계측이 성능을 좌우한다

[테크월드뉴스=이광재 기자] 전기차(EV)와 자율주행차의 경쟁력은 단순히 배터리 용량이나 전력 효율에 의해 결정되지 않는다. 초고속으로 동작하는 SiC·GaN 전력 소자, 수십 개의 전기 모듈, 실시간 제어 알고리즘은 모두 정밀하고 빠른 계측 체계 없이는 안전하게 작동할 수 없다.

특히 과전류나 단락과 같은 전기적 결함은 1마이크로초 미만의 짧은 시간 안에 탐지·차단되지 않으면 차량 전체의 성능 저하나 치명적 사고로 이어질 수 있다.

따라서 EV·자율차 시대의 핵심 인프라는 바로 ‘얼마나 빠르고 정확하게 측정하고 대응할 수 있는가’에 달려 있다.

이러한 배경에서 텍사스인스트루먼트(TI)는 고속 증폭기와 션트 기반 전류 모니터링 회로를 통해 EV 시스템에서 1마이크로초(μs) 미만의 과전류 감지 응답 시간을 제공하는 솔루션을 제안한다.

차량 전기화의 증가로 자동차 내 디지털 전력 제어 시스템과 전기 모터의 수가 급속히 확장되고 있다. 이에 따라 전기 시스템은 배터리 크기를 최소화하고 차량 주행 거리를 최대화하기 위해 가능한 한 효율적이어야 한다. 차량 내 모든 밀리와트의 전력 소비는 그 어느 때보다 중요해졌다.

초기 하이브리드 및 전기차는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)와 실리콘 전계 효과 트랜지스터(FET) 스위치를 사용했다. 그러나 현 시대의 차량 설계는 더 높은 효율성과 더 빠른 스위칭 속도를 제공하는 새로운 탄화규소(SiC) 및 질화갈륨(GaN) 스위치를 자주 활용한다.

이러한 시스템에서 빠른 스위칭 속도는 더 높은 효율성을 지원하지만 단락 및 과전류 상태와 같은 전기적 결함도 더 빠른 속도로 발생하므로 훨씬 더 빠른 결함 감지가 필요하다.

400V 또는 800V 배터리로 작동하는 자동차 전기 시스템의 일반적인 요구 사항은 과전류 상태로 이어지는 오작동을 매우 빠르게 감지하는 것이다. 대부분의 현대 전기차는 재앙적이고 잠재적으로 위험한 시스템 고장을 방지하기 위해 1마이크로초 미만의 과전류 상태를 감지하고 대응해야 한다.

더 빠른 속도와 높은 효율성의 필요성

트랙션 인버터, 전기 터보차저, 난방, 환기 및 공조(HVAC) 압축기, 정온도계수(PTC) 히터, DC/DC 컨버터, 온보드 충전기(OBC)와 같은 전기화된 차량 시스템은 과전류 상태와 오작동을 감지하기 위해 전류 모니터링이 필요하다.

이러한 전기화된 차량 시스템은 SiC 및 GaN 스위치의 빠른 스위칭 주파수가 제공하는 높은 효율성으로부터 수혜를 받는다.

기존 IGBT는 약 20kHz의 최대 스위칭 주파수를 가지는 반면 실리콘 FET는 약 100kHz의 스위칭 주파수를 달성할 수 있다.

새로운 SiC 및 GaN 스위치는 기존 스위치 기술보다 여러 가지 장점을 가지고 있다. 낮은 게이트 및 출력 커패시턴스를 포함해 이는 관련 스위칭 효율성 손실을 줄이면서 더 높은 스위칭 주파수를 가능하게 한다.

이러한 장점은 필요한 수동 부품과 히트싱크의 크기도 줄여준다. SiC 기반 스위치는 실리콘 FET보다 6배 이상 빠른 스위칭 주파수를 달성할 수 있으며 GaN 스위치는 더욱 빠른 스위칭이 가능해 일부 장치는 10MHz 이상의 주파수를 달성한다. <그림1>은 4가지 스위치 아키텍처의 상대적 스위칭 주파수를 보여준다.

전기 시스템에서 SiC와 GaN 스위치는 >100V/ns 및 1A/ns의 스위칭 속도를 달성할 수 있어 전압이 단 몇 나노초 만에 0V에서 800V로 변할 수 있게 한다. 그러나 이러한 속도에서는 과전류 상태를 지속적으로 모니터링하고 고장이 발생했을 때 신속하게 대응해야 한다.

로우사이드 션트 저항을 사용한 간단하고 비용 효율적인 전류 모니터링 회로(그림2)는 HVAC 압축기용 전기 모터 제어 애플리케이션과 PTC 히터, DC/DC 컨버터 및 온보드 충전기와 같은 디지털 전력 애플리케이션에서 통상적으로 사용된다.

전류 모니터링 회로는 시스템의 저전압 측에 배치된 션트 저항을 가로질러 차동 증폭기 구성에서 연산 증폭기(op amp)를 사용한다. 증폭기는 션트 저항을 통해 흐르는 전류를 측정한다.

이러한 유형의 회로에서 매우 작은 옴 값을 가진 저항은 전류 소비를 최소화하고 효율성을 최대화하는 데 도움이 된다. 저항기가 작기 때문에 증폭기는 일반적으로 20V/V에서 50V/V 정도의 높은 게인(gain)을 제공해야 한다.

회로의 이 부분에 사용되는 증폭기는 션트 저항을 가로질러 측정된 저전압 신호의 저하를 최소화하기 위해 낮은 노이즈와 낮은 오프셋을 가지는 것이 중요하다. 회로의 다음 부분은 과전류 상태를 감지하는 윈도우 비교기로 구성된 듀얼 비교기로 이뤄져 있다.

듀얼 비교기는 과전류 상태에 해당하는 트리거 레벨을 가진다. 한 비교기는 반대 방향으로 션트 저항의 전류 피크를 감지할 수 있도록 반전 구성으로 설정된다.

과전류 또는 단락 전류가 발생하면 담당 비교기가 이를 감지하고 그에 따라 출력 상태를 변경한다.

마지막으로 D형 플립플롭은 과전류 또는 단락 상태가 발생할 경우 시스템을 비활성화하는 게이트 또는 스위치 역할을 한다. 이 전류 모니터링 회로에 사용할 연산 증폭기를 선택하는 것은 설계의 중요한 부분이다.

높은 게인이 필요한 시스템의 경우 증폭기 대역폭은 필요한 게인을 지원하기에 충분히 빠르면서도 빠른 응답 시간을 달성할 수 있을만큼 높은 슬루 레이트를 가져야 한다.

회로에서 증폭기에 필요한 대역폭을 결정하는 데 사용되는 계산식은 다음과 같다.

이 계산은 50V/V의 게인을 달성하기 위해 최소 50MHz의 게인 대역폭을 가진 증폭기가 필요하다는 것을 나타낸다.

<그림3>은 10MHz 대역폭을 가진 증폭기와 50MHz 대역폭을 가진 증폭기의 상승 시간을 비교한다. 더 느린 증폭기는 더 빠른 증폭기보다 높은값으로 슬루하는 데 약 800ns가 더 걸린다.

총 고장 응답 시간이 1μs로 요구될 때 시스템이 신속하게 응답할 수 있도록 충분히 높은 대역폭과 슬루 레이트를 가진 증폭기를 사용해야 한다.

회로가 높은 게인을 요구할 때는 비보상성 증폭기(decompensated amplifier)로 알려진 특수 증폭기를 고려할 수 있다. 비보상 증폭기는 증폭기의 출력 단계에서 더 낮은 통합 커패시턴스를 가지고 있어 낮은 게인에서는 불안정하다.

하지만 높은 게인에서는 비보상 증폭기가 더 높은 개방 루프 이득, 높은 대역폭, 낮은 입력 노이즈와 낮은 전력 소비에서 증가된 슬루 레이트를 포함한 여러 장점을 제공한다.

TI의 OPA607-Q1은 50MHz의 게인 대역폭을 제공하는 AEC-Q100 자동차 인증을 받은 비보상 증폭기의 좋은 예다. 이 증폭기는 3.8nV/√Hz의 입력 전압 노이즈 밀도와 단 900㎂의 일반적인 대기 전류로 24V/μs의 슬루 레이트를 달성한다.

또 OPA607-Q1은 120μV의 낮은 오프셋 전압을 가지며 -40°C에서 125°C까지의 주변 온도 작동을 위해 등급이 매겨져 있다.

자동차 모터 제어 시스템에서는 전류를 측정하기 위해 2가지 주요 로우사이드 션트 저항 기반 아키텍처가 사용된다. 첫 번째는 모터 인버터 시스템의 세 다리 모두를 측정하기 위해 단일 션트 저항을 사용한다. 두 번째는 3개의 션트 저항을 사용하여 세 다리 각각의 전류를 개별적으로 측정한다. <그림4>는 이 두 가지 아키텍처를 보여준다.

단일 션트 기반 시스템에서는 전류 측정 회로가 단일 션트 저항, 차동 증폭기, 윈도우 비교기 및 D형 플립플롭으로 구성돼 모터 시스템의 전체 전류를 측정한다. 이러한 유형의 측정은 더 간단하고 더 적은 구성 요소를 사용하며 공간을 적게 차지하고 다중 션트 기반 시스템보다 비용이 적게 든다.

그러나 단일 션트 기반 시스템은 시스템 내 전류 흐름에 대한 정보를 많이 제공하지 않는다. 이 아키텍처는 고장에 대한 응답이 더 느리며 인버터의 어느 다리에서 고장이 발생했는지 표시할 수 없다.

다중 션트 기반 시스템은 3개의 션트 저항, 3개의 차동 증폭기, 3개의 윈도우 비교기 및 3개의 D형 플립플롭을 사용해 모터 인버터 시스템의 각 다리의 전류를 개별적으로 측정한다.

이러한 유형의 아키텍처는 구현하는 데 더 크고 비용이 많이 들지만 고장 위치를 정확히 파악할 수 있고 고장 발생시 더 빠르게 대응할 수 있다. 다중 션트 기반 아키텍처는 또한 모터 제어 알고리즘을 실행해 모터 속도를 제어하는 마이크로프로세서에 모터 인버터 시스템의 각 다리에 대한 전류 정보를 제공한다.

차량 전기화의 발전과 하이브리드 및 전기차가 점점 더 보편화됨에 따라 자동차의 전기 모터 및 디지털 전력 제어 시스템의 수는 기하급수적으로 확장되고 있다. 효율성을 높이기 위해 이러한 현대 시스템은 속도가 느린 IGBT 및 실리콘 FET 기반 스위치에서 더 빠른 SiC 및 GaN 기반 스위치로 이동하고 있다.

빠른 스위칭 속도가 더 높은 효율성을 가능하게 하지만 단락 및 과전류 상태와 같은 전기적 결함이 더 빠른 속도로 발생해 매우 빠른 결함 감지의 필요성이 증가한다. 시스템 손상과 치명적인 고장을 방지하기 위해 대부분의 경우 결함은 1마이크로초 미만에서 감지돼야 한다.

고속 전류 결함 모니터링을 수행하는 가장 효과적이고 비용 효율적인 방법 중 하나는 3개의 션트 저항, 3개의 연산 증폭기, 3개의 윈도우 비교기 및 3개의 D형 플립플롭으로 구성된 로우사이드 다중 션트 기반 전류 모니터링 회로를 사용하는 것이다.

1마이크로초 미만의 과전류 상태 감지 응답 시간을 달성하기 위해서는 50MHz 이상의 대역폭을 가진 증폭기를 선택하기를 권장한다.