새로운 기술은 아니나 고전압 격리는 이제 고전압 시스템을 포함하는 전기화 시대에 완전히 새로운 부품 영역으로 부흥하고 있습니다. 고전압 격리가 필요해지면서 차량 아키텍처와 일부 중요 부품의 근본적인 변화로 이어지는 자동차 산업의 차량 전기화로의 전환을 예로 들어 보겠습니다.
CAN 버스 및 전류 감지 기능은 고전압 시스템으로의 이동에 영향을 받는 가장 중요한 영역입니다. 이 시스템에는 DC 버스 전압과 제어되지 않은 과도 전류가 두 지점 사이에서 흐르지 않도록 격리가 필요합니다. 예를 들어 하이브리드 전기차(HEV)의 경우, 12V에서 작동하는 부품은 48V 이상의 전압에서 작동하는 고전압 부품으로부터 보호해야 합니다.
전기차(EV)의 채택이 늘어나면서 고전압 시스템이 널리 보급되고 있으며, 400V, 800V 및 더 높은 전압에서 격리는 설계 시 더 중요한 고려 사항이 되고 있습니다. 따라서 여러 영역에서 작동하는 고급 격리 IC에 대한 수요는 최신 전기화 설계에서 당연한 요소가 되고 있습니다.
반도체 기반의 격리 솔루션은 전통적인 옵토커플러에 비해 상당한 이점을 제공합니다. (출처: onsemi)
차량 OEM 및 계층 1 엔지니어는 격리 기술을 개발하고 시스템에 미치는 영향을 파악하고 있습니다. 예를 들어 격리는 자동차 및 산업 환경에서 고전압 MOSFET, IGBT, 게이트 드라이버 및 실리콘 카바이드(SiC) 장치의 처리에 영향을 미칩니다.
이 기사에서는 격리 기술이 고전압 부품에 미치는 영향과 전압 급증에 따른 광범위한 온도 변화에서 장치를 안전하게 보호하는 방법에 대해 나와 있습니다. 특히 전력량 증가로 전력 밀도가 증가할 경우 까다로운 열 및 전기 잡음 조건이 발생합니다.
고체 상태 계전기
고전압 설계를 위한 새로운 패러다임에서 반도체 기반의 격리 장치는 기존의 옵토커플러 솔루션에 비해 상당한 이점을 제공합니다. 그 결과, 더 높은 서지 성능, 신뢰성 및 손쉬운 통합이 특징인 반도체 기반의 격리 제품은 계속해서 기존의 옵토커플러를 대체하고 있습니다.
예를 들어 고체 상태 계전기(SSR)는 마이크로초 내에 단일 격리 장벽을 통해 부하를 분리하고 연결하여 고전압 자동차 시스템의 안전한 작동을 보장할 수 있습니다. 반면에 전기기계식 계전기는 동일한 작업을 밀리초 단위로 수행합니다.
기계 부품이 필요하지 않은 고체 상태 계전기는 일반적으로 외부 제어 신호가 계전기로 전달될 때 작동하는 간단한 점멸 스위치로 설계되어 있습니다. (출처: Sensata Technologies)
전기기계식 계전기 솔루션과 달리 고체 상태 계전기 또는 SSR은 격리형 전력 공급 장치, 디지털 절연체 및 게이트 드라이버의 기능이 하나의 장치에 통합되어 있습니다. 전력 및 신호 전송이 단일 칩에 통합되어 있는 SSR은 최소 세 개의 부품을 생략할 수 있으므로 설계 크기와 BOM 비용을 많이 줄일 수 있습니다.
전환 소음이 적고 수명이 긴 TE Connectivity의 고체 상태 계전기인 SSR-240A50 및 SSR-240D125의 예를 살펴보겠습니다. Sensata Technologies는 자동차 및 산업 설계의 격리 과제를 해결하기 위해 다양한 SSR 장치를 지원합니다.
격리된 드라이버 및 스위치와 같은 다른 SSR 부품을 사용하여 단일 장벽에서 전력 및 신호 격리를 원활하게 수행할 수 있습니다. 이를 통해 절연 스위치 드라이버가 배터리 팩 모니터와 함께 작동하여 400V 및 800V 배터리 관리 시스템(BMS)의 절연 결함을 고체 상태 광 계전기보다 더 빠르고 정확하게 감지할 수 있습니다.
기존의 고체 상태 광 계전기 솔루션에 비해 격리 스위치 드라이버는 신호 전계 효과 트랜지스터 및 저항기를 통합하여 설계 크기를 크게 줄일 수 있습니다. 또한 이러한 고전압 격리 장치를 사용하면 리드 계전기가 필요하지 않습니다.
격리 드라이버 및 스위치 외에도 SSR은 고전압 격리를 강화하는 데 중요하지만 다른 부품도 중요한 역할을 합니다. 다음 섹션에서는 일부 부품과 기본 기술에 대해 나와 있으며 격리가 필요한 여러 시스템에서의 작동 방식을 보여 줍니다.
기타 고전압 격리 부품
이 라인업과 관련된 SST 및 격리 드라이버와 스위치 외에도 자동차 및 산업 설계가 더 높은 전압 및 전류를 요구함에 따라 복잡한 격리 과제를 해결하는 데 도움이 되는 기타 부품이 있습니다.
엔지니어가 HEV 및 EV 시스템의 고전압 이벤트로부터 저전압 회로를 보다 효과적으로 보호할 수 있으므로 냉각 시스템을 통합하여 온도를 125°C 미만으로 낮출 필요가 없는 디지털 절연체가 있습니다. 예를 들어 내연 기관(ICE)과 배터리 시스템을 함께 사용하여 IC 주변의 공기를 125°C 넘게 가열할 수 있는 48V HEV 시스템의 경우, 디지털 절연체를 BOM 또는 설계 복잡성을 늘리지 않고 고온 영역에 배치할 수 있습니다.
단일 장치에 CMOS와 모놀리식 공심 변압기가 결합된 디지털 절연체는 여러 신호 경로 채널을 지원합니다. (출처: Analog Devices Inc.)
자동차 설계에서 CAN 통신을 처리할 때 엔지니어는 디지털 절연체를 사용하여 차량 내 신호 보호 및 도달 범위를 늘릴 수 있습니다. 엔지니어는 이러한 격리 장치를 사용하여 스타터 발전기, 냉각 팬 및 트랙션 인버터와 같은 HEV 및 EV 하위 시스템의 격리 장벽을 통해 신호를 전송해야 하는 구동 장치 및 HVAC 시스템의 신뢰성을 보장할 수 있습니다.
Skyworks Solutions의 자동차 등급 디지털 절연체인 SI8660BD-AS는 2.5kV, 3.75kV 및 5kV의 격리 등급과 전력 손실 시 기본 출력 상태를 제어하기 위한 선택형 안전 장치 작동 모드가 특징입니다.
또한 Analog Devices Inc.(ADI)의 ADUM1310ARW 디지털 절연체가 있으며, 이는 일반적으로 옵토커플러와 관련된 비선형 전달 함수와 같은 설계 문제를 처리합니다. 또한 외부 드라이버 및 기타 개별 부품이 필요하지 않으며 전력 소비를 크게 줄입니다.
다음으로 onsemi의 쿼드 채널 디지털 절연체인 NCID9411R2는 전기적 오프칩의 커패시터 격리 기술을 사용하여 높은 격리 및 노이즈 내성을 달성합니다. 이를 통해 기존에 옵토커플러에서 제공하는 것과 유사한 0.5mm를 초과하는 절연체 장벽의 안전 신뢰성을 보장할 수 있습니다.
고전압 격리의 경우, 표준 비교기의 기능을 전기적 격리 장벽과 결합하여 400ns 미만의 초고속 격리 양방향 과전류 및 과전압을 손쉽게 감지할 수 있는 격리 비교기도 알아볼 가치가 있습니다. 전류 감지 및 절연 모니터링 장치는 충전 스테이션, 고전압 분배 장치 및 최대 에너지 저장 솔루션을 제공하는 설계에서 중요한 부품입니다.
격리 기술의 부흥
EV 및 HEV 시스템 외에도, 고전압 격리는 대형 차량, 특수 운송 및 산업 응용 분야를 포함한 많은 다른 많은 산업에서 전기화 요소의 중요한 부분입니다. 이러한 설계에서 전기화는 고와트 전력 전자 장치로 이동함에 따라 고전력 시스템에서 저전압 측의 전기적 절연이 중요해집니다.
여기서 반도체 기반의 격리 장치는 EV 배터리 관리 및 충전 시스템, 태양광 및 풍력 터빈 인버터 및 산업용 모터 등의 고전압 설계와 전력 제어기를 연결하는 데 매우 중요합니다. 즉, 고전압 격리는 고밀도 전력 전자 장치와 함께 사용됩니다.
