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절연부터 와이드 밴드갭까지 점점 필요성이 높아지는 ‘고전압’
이나리 기자 | 승인 2018.01.18 10:09

[EPNC=이나리 기자] 우리 모두는 직/간접적으로 기술에 영향을 미치고 있다. 보다 구체적으로 말하자면, 우리 모두는 고전압을 필요로 하고 있으며, 이는 전기화, 증가하는 에너지 소모와 같은 두 가지 이유로 발생한다. 

자동차와 전동 공구를 비롯한 다양한 애플리케이션들이 전기화되고 있다. 전기화란 전기 전력을 사용해서 시스템을 구동하는 것을 말한다. 자동차 분야에서는 무겁고 비싼 케이블은 비효율적인 연비를 초래하고 배기가스 배출을 증가시킨다. 고전압 배터리는 자동차 제조사가 케이블 와이어를 통해서 더 높은 전력을 전달함으로써 엄격한 환경 규제를 준수하도록 돕는다. 또한 부하를 기계식이 아닌 전기로 구동함으로써 연비가 높아져 주행 거리를 늘릴 수 있다. 근본적으로 전기적인 부하를 지닌 무선 충전이나 블루투스는 점점 보편화 되고 있다.

전동 공구 또한 갈수록 전기화되고 있다. 겨울철 잔디 깎는 기계에 가솔린이 남아 카뷰레이터가 막히던 시대는 지났고 배터리로 구동되는 시대가 왔다. AC/DC와 DC/DC 변환을 필요로 하는 충전기에는 고전압 컨트롤러와 게이트 드라이버가 사용된다. 전동 공구 본체의 모터 드라이브 전원 스테이지에도 고전압 디바이스들이 사용된다.

고전압을 필요로 하는 두 번째 요인은 에너지 소모이다. 냉장고, 온도조절기, 스피커, 랩탑, TV를 효율적으로 구동하기 위해서는 전원장치 크기를 줄이거나 그대로 유지하면서, 전력 밀도는 높여야 한다. 고전류 게이트 드라이버는 스위칭 손실을 최소화함으로써 효율을 높일 수 있다. 효율이 높아지면 전력 밀도가 높아진다.

전기화나 전기 소모와 같은 트렌드는 이런 시스템을 현실화하는데 필요한 인프라를 개선하도록 한다. 반도체 분야에서는 절연형 게이트 드라이버, 와이드 밴드갭 기술, 견고성 향상을 사례로 들 수 있다. TI는 이와 같은 요구를 충족하는 제품들을 제공한다.

절연은 절연형 게이트 드라이버의 형태이든 디지털 아이솔레이터 형태이든 전력 망으로부터 공급되는 전력으로부터 사용자를 보호하는 것이다. 절연은 전압을 400V까지 높이는 전원장치나 태양광 인버터에서 필수적인 기능이다. 절연형 게이트 드라이버는 기존의 설계에서 사용되는 대형 트랜스포머를 대체 할 수 있어 솔루션 크기를 크게 줄일 수 있다. 시스템의 전력 레벨에 따라서 특정 디바이스에 필요로 하는 절연 수준과 채널 수까지도 결정한다. 예를 들어서 고전력 모터 드라이브 설계는 PCB 레이아웃 때문에 단일 채널 드라이버를 필요로 한다. 

갈륨 나이트라이드(GaN) 같은 와이드 밴드갭 기술을 사용하면 잘 알려진 주요 토폴로지들을 향상시킬 수 있다. 일반적인 듀얼 부스트 브리지리스 PFC와 비교했을 때, GaN을 적용한 연속 전도 모드 토템폴 브리지리스 PFC(Power Factor Correction)는 반도체 스위치와 부스트 인덕터는 절반으로 줄이면서 효율을 98.5% 이상으로 끌어올릴 수 있다. 이것은 GaN의 제로 역 복구와 낮은 기생 커패시턴스 덕분이다.

부품 수는 줄이고 효율은 높여 더 작은 공간에서 더 높은 전력을 달성함으로써 전력 밀도를 높일 수 있다. 실리콘 카바이드(SiC)는 또 다른 와이드 밴드갭 기술로서, 더 높은 전압에서 더 높은 스위칭 주파수를 사용할 수 있으며, 높은 온도로 동작할 수 있다. 그리하여 더 높은 전력 밀도를 달성하여 혹독한 환경에서도 동작할 수 있다. 그러므로 SiC는 자동차 파워트레인 같은 시스템에 사용하기에 적합하다. 요지는 더 적은 것을 가지고 더 많은 것을 달성할 수 있다는 사실이다.

또한 높은 전압과 스위칭 주파수로 잘 작동하기 위해서는 견고성과 시스템 제어가 중요하다. 그러기 위해서는 음의 전압 처리 및 지연시간 매칭과 같은 기능 그리고 분할 출력과 저전압 록아웃(UVLO, Undervoltage lockout) 제어 같은 아키텍처가 필요하다:

• 스위칭 전이, 누설, 불량한 PCB 레이아웃 등으로 인해서 발생되는 기생 인덕턴스는 음의 전압을 발생시킬 수 있다. 신뢰할 수 있는 솔루션을 달성하기 위해서는 IC가 입력 및 출력 핀에서 음의 전압을 잘 견딜 수 있어야 한다.

• 지연시간 매칭(2개 채널 간에 내부적 전달 지연시간의 일치)은 FET을 병렬로 구동하기 위해서 중요하다. FET을 병렬로 구동함으로써 구동 전류를 두 배로 높이고 높은 주파수로 스위칭할 수 있다. 지연시간 매칭을 함으로써 턴온 지연시간 차이를 최소화할 수 있다. 데드타임 제어와 인터록 기능을 사용해서는 슛쓰루(Shoot-through)를 방지할 수 있다.

• 분할 출력은 상승 시간과 하강 시간을 제어하여 전력 FET의 스위칭 특성을 보다 잘 관리할 수 있다.

• 일부 절연형 게이트 드라이버는 이미터 핀과 같은 고유의 기능을 사용해서 UVLO를 정확하게 모니터링 할 수 있다. 그럼으로써 시스템이 언제 켜지고 꺼지는지를 정확하게 이해할 수 있다. 

애플리케이션에 상관 없이 기본적인 것, 특히 전력 측면에서는 같다. 고전압을 필요로 하는 변화들은 토폴로지에도 영향을 미친다. 최근에 TI는 고전압을 주제로 한 전력 컨퍼런스를 개최하였는데 110명 이상이 참여했으며 25개 세션과 몇 시간 동안 기술 토론이 이어졌다.

경력 이 다양한 전력 엔지니어들이 참여했고 자동차, 전동 공구, 가전기기, 오디오를 포함한 다양한 애플리케이션에 대한 주제를 논의하였다. 이틀 동안 진행된 이 행사에서 참가자들은 서로의 지식과 의견을 주고받았다. 그리고 모두가 고전압이 대세라는 한가지 사실에 대해 동의했다.
 

#절연#고전압#와이드 밴드갭#TI

이나리 기자  narilee@epnc.co.kr

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