[테크월드=정동희 기자] 최근 환경과 지구 생태계에 탄소 배출이 미치는 영향에 대한 우려가 커지고 있다. 신흥 경제국의 석유 수요 증가로 인해 빠른 속도로 석유 매장량이 소비됨에 따라 장기적인 석유 공급에 대한 불확실성이 증가하는 추세다. 국제 에너지기구에 따르면 현재 매년 350억 배럴의 원유가 생산, 출하되고 있다.
원유 수급이 불안정해지면서, 자동차 제조업체들은 허용된 범위 내에서 최대한 향상된 연비를 갖춘 자동차를 개발 해야한다. 석유와 자동차의 연비 문제를 감소 시킬 수 있는 방법 중 하나는 기존 차량에 석유가 필요한 기계적 시스템의 부하를 줄이는 것이고, 운전자 경험을 동일하게 유지하면서도 자동차의 전체 무게를 줄이는 것이다.
우선적으로 기계적 부하의 경우 기계 시스템이었던 파워 스티어링과 냉각제를 전기 시스템으로 전환하고, 사이드미러 조정, 시트 위치 결정, 기후 제어, 창문 개폐와 같이 예전부터 전기로 사용하던 부분을 좀 더 최적화 하는 것 정도가 될 것이다.
본론으로 들어가서, 현재 자동차 분야는 브러시 DC와 무-브러시 DC(brushless dc) 모터를 둘 다 채택하고 있지만 BLDC의 인기가 빠르게 증가하고 있다. 이는 앞서 언급한 것처럼 자동차의 전체 무게를 줄이는 것과 공간 확보에 장점을 보이기 때문이다. 그 외 매력적인 요소들이 많은데 그 중에서도 다음과 같은 사항들이 가장 두드러진다.
BLDC 모터는 DC 장치보다 제어 수준이 훨씬 더 높으며, 가변 속도 작동이 지원된다(에너지 효율이 훨씬 더 높다). ▲ BLDC 모터는 일반적으로 출력이 동일한 DC 모터에 비해 크기가 훨씬 더 작다. 즉, 공간을 절약 할 수 있다(최신 자동차 디자인에서는 점점 더 많은 양의 와이어를 사용하고 있기 때문에 공간이 점점 더 제한된다). ▲ BLDC 모터는 브러시나 정류자를 필요로 하지 않기 때문에 해결해야 할 스파크나 소음 문제가 없다. ▲ BLDC 모터는 마모되고 찢어지지 않는다(DC 모터 고장의 원인). 이에 따라 수명을 상당히 연장시킬 수 있을 뿐 아니라 수리 또는 교체 비용도 줄어든다.
이런 장점들로 BLDC 모터를 자동차 시스템에 적용할 경우, 유리한 사항들이 많겠지만 DC 제품보다 더 정교한 주행 전자 장치가 필요하다. 대부분의 경우, 개별 솔루션을 통해 BLDC 모터를 구동하는데 이를 위해서는 전력과 제어, 보호, 온도 관리 활동 등에 연관된 다양한 기성 부품이 사용된다.
일반적으로 13~16개의 개별 부품을 지정, 설치해야 하지만 상업적인 이유와 기술적인 압박이 더욱 심각해짐에 따라 이러한 개별적 소자 접근법은 시대에 뒤떨어진 것으로 여겨지기 시작했다. 현실적으로 실현 가능 할 수 있는 기능을 구현하려면 많은 부품들을 조달, 배치, 시험해야 하는데 이는 공간 효용성이 떨어질 뿐 아니라 특히 비용 면에서 효율적이지 않다.
이런 점을 감안할 때 고집적 구조의 파워 모듈은 자동차 업체들에게 보다 매력적인 대안이 된다. 파워 모듈의 사용은 잠재적으로 실패할 가능성이 있는 항목이 더 적게 포함하므로 부품 개수와 공간 활용을 감소시켜주며 신뢰성을 향상시킬 뿐 아니라 개별 소자를 배치하는 불편함 또한 덜어준다.
게다가 이런 접근법은 작업 시 엔지니어링 자원을 감소시키며, 설계 주기를 단축시켜준다. 이에 따라 집적도가 더 높고 보다 혁신적인 실장 기술을 가진(열전도성 금속 기판 활용) 차세대 파워 모듈의 출현은 BLDC 모터 제어의 발전을 위한 열쇠를 쥐고 있다.
직접 접합형 구리(Direct Bonded Copper) 기판 구조는 개별 배치 또는 기존의 파워 모듈 솔루션에 비해 작동과 물류 면에서 많은 이점을 제공하므로 보다 발전된 파워 모델의 개발에 촉진제 역할을 한다. 기본적으로 DBC 기판은 열전도성이 뛰어난 절연 세라믹으로 구성되는데 이 세라믹 층은 전도도가 높은 구리 층에 의해 양쪽에 배치된다. 외부 구리판은 마무리 층으로 덮이며 내부 구리층은 인쇄 회로 배치의 기초 역할을 한다.
부품들은 DBC 위에 곧바로 납땜한다. 상호 본드 결합선은 다이와 인쇄 회로 배치 사이, 또는 모듈 내부의 서로 다른 부품들을 연결한다. 이렇게 하면 시스템의 물리적 공간이 크게 줄어 최종 솔루션의 크기와 무게가 곧바로 절감된다.
DBC는 또한 전기 절연 능력을 해치지 않고 파워 시스템의 열 경로를 크게 단축시킬 수 있다. 이를 통해 자재명세서 비용이 크게 낮아지고 개발 시간이 빨라지며 열 성능이 개선된 파워 모듈을 채택이 가능해진다.
이 기술은 기존의 접근법보다 훨씬 더 작은 레이아웃의 구현을 지원하므로 결과적으로 전력 밀도가 현저하게 더 높아질 수 있다. 또한 파워 모듈과 히트 싱크 간에 추가적인 단열이 필요가 없으므로 엔지니어링 팀의 설계 유연성이 더 높아진다. 열 성능이 우수하면 모터 구동 시스템에 더 작은 히트 싱크를 사용할 수 있으므로 무게와 공간이 절약되며 전체 시스템 비용 또한 낮아진다.
더 정교하고 성능이 더 높은 파워 모듈의 수요 증가에 발 맞추어 온세미컨덕터는 DBC 기반 파워 모듈 설계의 선두 주자로 STK984-190E를 출시한 바 있다. 이 제품은 30A/40V 정격 MOSFET 파워 모듈로서 자동차 환경 내에서 3상 BLDC 모터 구동 응용분야에 최적화되어 있는데 3상 브리지 구성의 MOSFET 장치 6개로 이루어졌다.
이 제품에는 역 배터리 보호 스위치 메커니즘을 제공하는 MOSFET 하나와 함께 제공된다. 모듈은 듀얼 인라인 패키지(Dual Inline Package) 방식으로서 크기가 29.6mm×18.2mm×4.3mm에 불과하므로 시중에 나와 있는 동급 제품보다 폼 팩터가 훨씬 더 작다.
STK984-190-E에서 채택하고 있는 모든 MOSFET은 AECQ101에 완전히 적합하므로 모듈 용량은 자동차 응용 환경의 어려운 조건을 처리하기에 충분하다. 펌프, 팬 및 와이퍼를 포함한 12V 자동차 응용 분야의 집적에 최적화된 이 소자의 작동 온도 범위는 40°C에서 150°C까지다.
STK984-190E는 온세미컨덕터의 LV8907UW 무센서 모터 컨트롤러 IC(차량 네트워킹용 LIN 트랜시버를 포함한다)와 함께 사용될 경우 자동차의 BLDC 모터 제어에 완벽한 기준 설계를 제공할 수 있다. 이처럼 보다 집적된 솔루션은 3상 BLDC 모터 드라이브의 효율을 높이는 동시에 기존보다 전체 시스템의 크기를 훨씬 작고 가볍게 해주며 신뢰도 특성도 더 높여준다.
앞에서 설명한 것과 같이 모듈로 얻어지는 높은 출력 밀도 덕분에 보드 공간 및 기존의 개별 솔루션에 들어가는 부품 개수가 절반으로 줄어든다. 이러한 소형화로 인해 자동차 전자제품 개발이 앞으로 나아가는 데에 중대한 영향을 미칠 것으로 보인다. 엔지니어들은 이렇게 발전된 금속 기판 모듈을 사용함으로써 현재 자동차 업계가 기대하는 연비 및 공간 활용을 더욱 개선하게 될 것이다.
<글: 메튜 타일러 (Matthew Tyler) 온세미 컨덕터 전략 및 제품 로드맵 인증 이사>
<자료제공: 온세미컨덕터( http://www.onsemi.com/)>
그래도 삭제하시겠습니까?