트랙션 인버터 애플리케이션 및 솔루션 분석

견인 인버터의 두 가지 주요 설계 고려 사항은 변환 효율성과 최대 출력입니다. DC에서 AC로의 변환 효율성이 높을수록 동일한 배터리로 더 긴 주행 거리를 제공합니다. 더 높은 효율성은 시스템이 더 적은 열을 관리하면서 더 많은 출력을 제공할 수 있음을 의미하기도 합니다. 견인 인버터의 최대 출력은 차량의 전체 성능, 특히 차량의 즉각적인 토크와 가속 능력을 결정합니다. 효율성(주행 거리)과 최대 출력(성능)은 궁극적으로 차량의 용도와 사용 사례를 정의합니다.   견인 인버터는 모든 EV 애플리케이션에서 SiC에 대한 가장 큰 수요를 생성하며, 애플리케이션이 800V 배터리 팩으로 전환됨에 따라 이러한 수요는 증가할 것으로 예상됩니다. SiC 기술의 장점은 IGBT 기반 시스템과 비교하여 더욱 중요해질 것입니다.   전력 애플리케이션에서 전력 밀도는 중요하지만 신뢰성 또한 동일하게, 경우에 따라 더 중요할 수 있습니다. 엔지니어가 성능 제한 문제를 종종 해결할 수 있는 반면, 예기치 않은 가동 중단이나 수리를 초래할 수 있는 실제 실패를 받아들이는 경우는 드뭅니다. 이러한 실패는 사업에 상당한 예기치 않은 영향을 미칠 수 있기 때문입니다.

트랙션 인버터 관련 기술 및 설계 아키텍처

BEV는 고전압 배터리 팩에 저장된 에너지에 전적으로 의존하며, 가장 효율적인 견인 인버터와 모터 엔지니어링이 필요합니다. 시장에는 거의 동일한 아키텍처가 없으며, 이는 다양한 견인 인버터 요구 사항으로 이어집니다. 주요 차이점은 모터가 바퀴와 어떻게 연결되느냐에 있으며, 이는 직접 또는 디퍼런셜을 통해 연결됩니다.   직접 구동은 높은 효율성, 적은 유지 보수, 간단한 구현을 달성할 수 있지만 보통 저속 요구 사항으로 인해 더 큰 부피가 필요합니다. 디퍼런셜 구동 구현은 디퍼런셜의 고정 기어비와 높은 RPM 작동으로 인해 전력 밀도가 증가하지만, 기계적 기어는 유지 보수가 필요하며 전송 손실이 발생할 수 있습니다.   견인 인버터의 효율성과 견고함을 개선함으로써 차량의 전체 효율성을 향상시킬 수 있습니다. 하지만, 인버터는 단순한 MOSFET 6팩이 아니라, 시스템 레벨의 실패를 방지하기 위해 보호 및 모니터링 보조 회로도 포함되어 있습니다. 인버터 내에서의 빠르고 신뢰성 있는 스위칭과 고장 가능성을 줄이기 위한 모니터링 신호는 게이트 드라이버 선택에도 추가적인 영향을 미칩니다. 게다가, BEV와 HEV는 전력을 조절하고, 배터리를 관리하며, 차량을 전진시키는 다양한 인접 전력 전자 시스템들로 구성됩니다.   견인 인버터의 가장 중요한 모듈은 IGBT 기반 및 SiC MOSFET 기반 통합 전력 모듈과 같은 고전력 스위치로 구성된 전력 스테이지입니다. 전력 스테이지는 전력 관리 IC, 마이크로컨트롤러(MCU), 또는 두 가지의 조합에 의해 제어됩니다. 스위치는 작동 중 전력 스테이지의 온도, 전압 및 전류를 감지하여 모니터링되고 보호됩니다.   스위치 제어는 MCU를 통해 이루어지며, MCU는 초기 PWM 신호를 생성합니다. 절연 게이트 드라이버는 생성된 PWM 신호를 증폭시키고 고전력 스위치를 온/오프 시키기 위해 충분한 전하를 제공합니다. MCU는 전압, 전류, 모터 위치와 같은 피드백 신호를 기반으로 인버터 변조를 제어하고 수정해야 합니다.

MOSFET는 견인 인버터의 전력 단계에서 가장 중요한 구성 요소입니다

트랙션 인버터의 전력 스테이지에 있는 MOSFET는 가장 중요한 구성 요소로, 모터에 전류를 제어하여 운동을 생성합니다. 인버터의 세 다리는 DC 배터리 전압을 3상 AC 전압과 전류로 변환하여 모터를 구동합니다. 전력 스테이지는 작동 중 온도, 전압, 전류를 감지하여 모니터링 및 보호됩니다.   onsemi는 EliteSiC™ 장치를 사용하여 고성능 전력 스테이지를 구축하는 세 가지 접근 방식을 제공합니다. 첫 번째는 핀 핏 히트싱크가 포함된 6팩 모듈(SSDC39)을 사용하는 가장 통합된 솔루션입니다. 두 번째는 3x 하프 브리지 모듈(AHPM15)을 사용하여 성능을 유지하면서 설계 유연성을 높이는 방법입니다. 세 번째는 포장되지 않은 베어 다이 형식의 6x M3e MOSFET를 사용하여 맞춤형 모듈 설계를 생성하는 방법입니다.   트랙션 인버터용 6팩 EliteSiC 전력 모듈 SSDC39은 업계 표준 패키지 솔루션으로 성능 상승, 효율성 향상 및 전력 밀도 증가를 제공합니다. NVXR17S90M2SPB 모듈은 SSDC39 패키지에서 6팩 구성(900V 1.7 mΩ SiC MOSFET)을 통합합니다. 조립 용이성과 신뢰성 향상을 위해 차세대 프레스 핏 핀이 전력 모듈의 신호 단자에 통합되었습니다. 직접 냉각을 위해 젤로 채워진 패키지는 AQG324 자동차 표준을 충족하도록 설계된 최적화된 핀 핀 히트싱크를 베이스플레이트에 통합합니다.   트랙션 인버터용 하프 브리지 EliteSiC 전력 모듈 AHPM15는 NVVR26A120M1WSS 전력 모듈을 특징으로 하며, 이 모듈은 하프 브리지 구성으로 1200V 1.7 mΩ SiC MOSFET를 통합합니다. 이 모듈은 낮은 기생 인덕턴스(7.1 nH) 및 RDS(ON)를 가지고 있어 하이브리드 및 배터리 전기차 트랙션 인버터 애플리케이션에 이상적입니다. AHPM15 모듈 제품군은 직선 또는 90° 전력 탭을 포함한 두 가지 전력 탭 변형으로 제공됩니다. 신뢰성 및 열 성능을 향상시키기 위해 다이 접합에 소결 기술을 사용하며 모듈은 AQG324 표준을 충족하도록 설계되었습니다.   새로운 EliteSiC™ 1200V M3e MOSFET 기술을 기반으로 하는 NCS025M3E120NF06X는 온세미(onsemi)의 3세대 고성능 1200V SiC MOSFET으로 포장되지 않은 베어 다이 형식입니다. 5x5 mm 베어 다이는 어떤 맞춤형 모듈 설계에서도 구현 가능합니다. M3e 제품군은 온세미(onsemi)의 최신 SiC MOSFET 기술을 기반으로, VGS = 18V, ID = 135A, TJ = 25℃에서 11.0 mΩ으로 이 클래스에서 가장 낮은 온저항(표준)을 제공하여 자동차 트랙션 인버터에 이상적인 선택입니다.   추가적으로, 온세미(onsemi)는 새로운 1200V SiC M3e 기술을 기반으로 EV 트랙션용 EliteSiC B2S 및 B6S 전력 모듈을 도입했습니다. B2S 모듈은 소결이 가능한 하프 브리지이며, B6S는 통합 히트싱크가 포함된 더 큰 6팩 모듈입니다. B2S는 160~400 kW의 설계 확장성을 제공하며, 고성능 및 트랙션 인버터 효율의 경계를 넓히고 있습니다. M3e MOSFET의 유닛 셀 피치는 M1 제품군 대비 60% 이상 감소되었습니다. SiC 평면형 MOSFET는 낮은 고장률을 가진 수조 시간 이상의 필드 경험을 축적했으며, 100% 결함 검사, 가속 전기 테스트 및 게이트 산화막 스트레스 검증으로 SiC 약점을 해결합니다. SiC 다이와 히트싱크는 소결 기술을 통해 부착됩니다.

IGBT 기술은 EV 기술의 핵심으로 남아 있습니다

절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)는 전기차(EV) 기술의 근간으로, 효율성, 신뢰성 및 지속 가능성의 개선을 주도합니다. EV 전력 관리 시스템의 중추로서 IGBT는 큰 전기 부하를 매우 안정적으로 처리하여 장기적으로 일관된 성능을 보장합니다. 이 신뢰성은 급가속에서 회생 제동에 이르기까지 전력 수요가 크게 변동하는 EV에 매우 중요합니다.   IGBT는 비용 효율적인 선택으로 오랫동안 EV 파워트레인의 대표적인 부품으로 사용되어 왔습니다. 그러나 SiC MOSFET는 효율성 및 열 성능 측면에서의 장점으로 인해 다음 세대 EV를 위한 점점 더 매력적인 옵션으로 부상하고 있습니다.   onsemi는 새로운 IGBT 기술인 Narrow Mesa Field Stop(FS4 및 FS7)과 같은 기술을 도입하여 자사의 IGBT 제품 포트폴리오를 지속적으로 개선 및 확장하고 있습니다. 이 기술은 경부하 상태에서의 전력 손실이 적고 자동차 응용 분야에서 전반적인 시스템 효율성을 향상시킵니다.   onsemi의 IGBT 6팩 전력 모듈 = NVH660S75L4SPFB - 6팩 구성으로 FS4 750V Narrow Mesa IGBT 6개를 통합합니다. 이 모듈은 높은 전류 밀도를 제공하며 강력한 단락 보호와 높은 차단 전압을 제공합니다. SSDC33 저낭비 유도 패키지를 사용하며, 직접 냉각 및 평평한 베이스 히트싱크를 갖추고 있습니다.   또 다른 IGBT 반브리지 전력 모듈 = NVG600A75L4DSC2 - 반브리지 구성으로 FS4 750V IGBT 2개를 통합합니다. 이 모듈은 칩 수준의 온도 및 전류 센서를 통합하였으며, AHPM15 양면 냉각 패키지가 열 성능을 개선시킵니다.   또한, onsemi는 VE-Trac IGBT 전력 모듈 패밀리를 기반으로 EV/HEV 트랙션 인버터 응용(최대 150 kW)을 위한 두 가지 평가 하드웨어 키트(참조 설계)를 제공합니다. 이러한 평가 키트(EVK)는 인버터 개발 초기 단계에서 VE-Trac Direct 전력 모듈의 성능을 평가할 수 있도록 해줍니다. 두 가지 EVK 변형이 있으며 각각 6팩 및 반브리지 전력 모듈 기반입니다. 이 키트는 주요 스위칭 매개변수를 측정하기 위한 더블 펄스 테스터로 사용하거나 모터 제어를 위한 3상 인버터로 사용할 수 있습니다.

완전하게 명시된 EliteSiC 및 IGBT 전력 모듈과 평가 보드

IGBT 및 SiC 모듈의 스위칭 특성은 전압, 전류, 온도, 게이트 구성 및 기생 요소와 같은 여러 외부 파라미터에 의해 영향을 받습니다. DC 링크 루프 인덕턴스 및 게이트 루프 인덕턴스는 IGBT 및 SiC 전력 모듈의 스위칭 특성에 영향을 미칩니다. 더블 펄스 테스트 설정은 초저 기생 인덕턴스(8 nH) SSDC33 패키지에 포함된 900V EliteSiC 1.7 mΩ 클래스 NVXR17S90M2SPB 및 750V VE−Trac IGBT NVH950S75L4SPB, 두 모듈의 스위칭 특성을 측정하기 위해 사용됩니다. 온세미의 운전자 인버터를 위한 개별 솔루션은 EliteSiC™ MOSFET이며, 650V~1200V를 지원하며 RDS(ON), QG, RSP 등의 한계를 지속적으로 돌파합니다.   온세미는 또한 SiC, Si MOSFET 및 IGBT의 개별 패키지를 비교 측정하기 위해 설계된 개별 더블 펄스 테스터(DPT) 평가 보드 - EVBUM2897 -를 제공합니다. 테스터의 주요 용도는 스위칭 성능 테스트 및 다양한 장치 유형 또는 패키지 비교입니다.   온세미는 또한 개별 DPT 보드를 위한 이중 펄스 발생기 확장 보드 - EVBUM2901 -를 제공하며, 이 보드는 높은 온도 테스트 조건과 가변적인 10-펄스 PWM 생성을 제공합니다. EVBUM2901은 DPT 보드와 함께 모든 온세미 개별 패키지(SiC, Si)의 높은 온도 테스트를 위한 도터 카드 사용을 지원하며 1200V 내파 전압 내에서 작동합니다.   온세미의 NFVA25012NP2T는 고전압 보조 모터를 위한 1200V, 50A 지능형 전력 모듈(IPM)로, 하이브리드 및 전기 차량을 위한 완전한 기능의 고성능 인버터 출력 단계를 제공합니다. 모듈은 최적화된 게이트 드라이브, 제어 및 보호 기능을 갖춘 1200V, 50A 삼상 IGBT 인버터를 통합합니다. HVAC 전기 압축기, 고전압 오일 및 워터 펌프, 고전압 슈퍼차저 및 다양한 팬과 같은 보조 응용 분야에 적합합니다.   온세미의 고전류 단일 채널 게이트 드라이버인 NCV57001 및 NCV57100은 트랙션 인버터와 같은 고전력 응용 분야에서 높은 시스템 효율성과 신뢰성을 위해 설계되었습니다. Miller 플랫폼에서 NCV57100은 최대 ±7A를 전달할 수 있고, NCV57001은 +4/-6A를 전달할 수 있습니다. 이러한 드라이버는 내부 갈바닉 절연, 보완 입력, 오픈 드레인 오류 및 준비 출력, 능동 Miller 클램프, 정확한 UVLO, DESAT 보호 및 DESAT 부드러운 턴오프를 포함합니다.   추가적으로, 내부적으로 통합된 부정 바이어스 제어 기능이 있는 NCV51752 (NCV51152) 드라이버가 장착된 평가 보드가 있으며, 시스템이 드라이버에 외부 부정 바이어스 레일을 제공할 필요가 없도록 합니다. 이 평가 보드는 모든 온세미 지원 SiC MOSFET 개별 패키지 테스트를 위한 여러 PCB 레이아웃 변형을 가지고 있습니다.

결론

트랙션 인버터는 전기차(EV) 및 하이브리드 전기차(HEV) 파워트레인의 핵심 구성 요소로, 고전압 DC 전력을 AC 전력으로 변환하여 모터를 구동하는 역할을 합니다. 트랙션 인버터의 성능은 차량의 효율성, 출력, 주행 거리에 직접적으로 영향을 미칩니다. 미래를 내다보며 자동차 제조업체와 공급망 제조업체는 차세대 EV의 요구를 충족시키기 위해 경량화와 신뢰성을 고려하면서 더 높은 전력 밀도, 낮은 손실, 우수한 열 관리 성능을 보장하는 트랙션 인버터 설계를 지속적으로 최적화해야 합니다. onsemi는 EV의 성능을 더욱 향상시키고, 지능형 교통과 지속 가능한 에너지 개발을 촉진하며, 글로벌 자동차 산업이 탄소 제로 미래로 나아갈 수 있도록 지원하는 완전 규격의 트랙션 인버터 솔루션을 제공합니다.