하이브리드 전기차(HEV) 용으로 Direct Fuel Injection(직접 연료 분사)에서부터 전기 모터 구동에 이르는 다양한 애플리케이션을 지원하기 위해 IR은 자동차 사업부를 설립하고 저전압/중전압/고전압 스위치, 지능형 전력 스위치(IPS), 최고 1200V의 전력 MOSFET/IGBT를 구동할 수 있는 High-voltage mixed-signal 디바이스의 5개 제품 라인을 관리하고 있다(그림 1). 이 디바이스들은 고유기술 실리콘 프로세스로 구현되며 자체 개발된 첨단 패키징 기술을 결합했다. 이들은 또한 3가지 차별적인 이점을 제공한다. 그것은 바로 이들 디바이스가 자동차 산업의 기준을 충족하거나 초과하면서 자동차 인증, 향상된 신뢰성, 작동 변경 관리를 제공한다는 것이다.
-1.jpg)
IR은 자사 제품을 타사 제품과 차별화함으로써 전력 반도체에 있어서 선도적인 위치를 차지하고 있다. 이미 30여년 전에 IR은 최초의 상용 전력 MOSFET으로 HEXFET을 출시함으로써 바이폴라를 이용한 선형 전원장치를 제치고 스위치 모드 전원장치가 급속하게 채택되도록 하였다. IR은 혁신적인 GaN 전력 기술 및 플랫폼을 내놓음으로써 그러한 선도적인 위치를 계속해서 유지하였다. 지난 해에는 이러한 흐름을 이어서 고유의 CMOS 호환 GaN-on-Si 기반 HEMT(high electron mobility transistor)와 관련된 개발 플랫폼을 발표하였는데 이는 기존의 첨단 실리콘 및 실리콘 카바이드(SiC) MOSFET에 비해서 십여 배 우수한 FOM(figure of merit)을 제공할 것으로 전망된다.
하이브리드 전기차의 유형
현재 표준적인 내연 엔진(ICE) 구동 자동차와 비교해서 하이브리드 전기차(HEV) 시장은 크지 않으나 앞으로 2~3년에 걸쳐 폭발적으로 성장할 것으로 보인다. 유류비가 크게 인상되고 전세계적으로 CO2 배출을 줄이도록 요구됨으로써 애널리스트들은 HEV 자동차의 연간 판매가 1백만 대를 넘어설 것으로 전망하고 있다. 실제로 일부 조사에서는 2012년에 이르러 하이브리드 전기차의 연간 세계 판매가 2백만 대에 달할 것으로 전망하고 있다.
현실적으로 표준적인 하이브리드 아키텍처가 존재하지 않으므로 이와 같이 HEV 판매가 전세계적으로 증가하는 것은 다양한 유형의 연료 효율 하이브리 모델에 의해서 이루어질 것이다. 각각의 HEV 유형은 목표 애플리케이션에 따라 분류할 수 있다.
가장 단순한 형태의 HEV는 start-stop 기능의 표준적 ICE 자동차와 유사한 것이다. 이 유형은 start-stop 기능이 교통 신호등, 교통 정체, 그 밖의 유사한 상황 등에서 필요하지 않을 때 ICE를 중지시킨다. 이외에 마이크로(micro), 마일드(mild), 풀(full), 플러그인(plug-in) 하이브리드 자동차가 있다. 마이크로 하이브리드는 start-stop 기능과 함께 추가적인 제동 에너지 회복(braking energy recuperation) 시스템을 이용하며, 마일드 하이브리드는 10~20kW의 중간 전력 전기 모터를 추가해서 연소 엔진을 지원하고 효율을 향상시킨다. 마찬가지로 풀 하이브리드와 플러그인 하이브리드는 ICE 엔진을 필요로 하지 않고 전적으로 고전력 전기 모터를 이용해서(최고 100kW) 특정한 수준을 구동할 수 있다. 마지막으로 순수 전기차는 ICE를 아예 포함하지 않고 100kW 이상의 전력 수준의 매우 강력한 전기 트랙션 모터를 장착한다.
위에서 말하는 모든 HEV 유형이 각자의 기술적 과제를 안고 있으며 전력 관리 요구가 각기 다르다. 정부, 사회, 현행 자동차 기술 표준, 지정학적 또는 환경적 요구와 규제가 다양한 HEV 유형의 성공에 크게 영향을 미칠 것이며 세계 여러 지역에서 각기 다른 HEV 솔루션에 유리하게 적용될 것이다.
그렇다면 이는 HEV 시장에서 IR에 무슨 의미일 것인가? 순수하게 기술적 관점에서 IR은 위에서 말하는 모든 유형의 HEV를 위해서 특정 애플리케이션 제품 및 칩셋을 제공할 수 있는 가장 적합한 위치에 있다. 그러므로 IR은 현재 각각의 HEV 유형에 따라서 필요한 출시시간을 평가하고 그에 따라서 시급한 순서대로 개발 작업을 수행하고 있다.
비용과 연료 효율
유럽 지역에 중점을 두고 가까운 시일 내에 가장 큰 기회는 start-stop 기능과 마이크로 하이브리드가 될 것으로 보고 있다. BMW 등의 OEM이 이미 자신의 메인스트림 플랫폼의 표준 기능으로 이 기능을 제공하고 있다. 전체적인 start-stop 기능의 생산 비용을 낮게는 300달러로 유지할 수 있으며 그러면서도 3~10% 대의 상당한 연료 절약을 할 수 있다. 혼잡한 도심 교통의 경우라면 이렇게 절약하는 것이 최고 25%에 이를 수 있다. 낮은 비용 이점은 start-stop 기능이 표준적인 12V 전력 네트로 작동할 수 있기 때문에 가능한 것이다. 마일드 또는 풀 하이브리드 자동차와 달리 start-stop 기능은 비싼 고전압 시스템이나 에너지 저장 배터리를 필요로 하지 않는다.
하지만 start-stop 시스템은 강력한 스타터-교류기 모터(통상 5~6kW)를 이용한 연소 엔진의 빈번한 크랭킹 사이클을 해결해야 한다. 이를 위해서 IR은 접합부 온도가 최대 200?C에 이르며 스타터-제너레이터의 매우 높은 애벌랜치 에너지를 처리할 수 있는 견고한 MOSFET을 개발하고 있다. 극히 뛰어난 견고성과 향상된 신뢰성이 이들 MOSFET의 가장 중요한 특징이다.
Start-stop 기능이 안고 있는 또 다른 해결과제는 보드 네트 안정화 DC-DC 컨버터이다. 운전 사이클 시에 한 번만 엔진을 시동하는 기존의 자동차는 그러한 컨버터가 필요하지 않다. 하지만 start-stop 기능을 이용하면 신호등에서 매번 정지할 때마다 빈번하게 크랭크되며 12V 배터리 네트가 잘 알려진 배터리 전압 드롭을 겪지 않으면서 엔진을 크랭크하기 위한 전력을 공급해야 한다. 그러한 배터리 전압 드롭은 라디오를 꺼지게 하거나 라이트가 깜빡이게 하는 등의 문제를 일으킬 수 있다.
기존의 ICE 구동 자동차의 경우 이러한 현상들은 모든 운전자들이 시동 키를 작동하고 엔진을 시동했을 때 흔히 경험하는 것들이다. 이를 해결하는 방법은 되도록 매끄럽게 하는 것이다. 이를 위해 IR은 디자이너들이 엔진 스타트업 시의 전력 요구량을 버퍼링하는 효율적인 DC-DC 컨버터를 구현할 수 있도록 EMI가 매우 낮은 고속 스위칭 부품을 개발하였다. 그러한 예로서 새로운 자동차 DirectFET 제품 라인은 이 애플리케이션을 위한 뛰어난 전력 스위치를 제공함으로써 가장 낮은 Rdson으로 뛰어난 스위칭 성능을 제공하며 동시에 공간과 무게를 절약한다.
마일드 하이브리 등과 같은 하이엔드 HEV 시스템은 강력한 전기 모터를 채택해서 연소 엔진을 지원하고 15~35% 대의 연료 절감을 가능하게 하나 솔루션 비용에 1200달러 이상을 추가한다. 이는 단순히 더 많은 수의 부품을 필요로 하고 더 높은 전압 배터리, 완전 절연 고전압 전력 네트, 대형 트랙션 모터 인버터, 2개 전력 네트 사이의 에너지 플로우를 위한 DC-DC 컨버터 등을 필요로 하기 때문이다.
마찬가지로 풀 하이브리드, 플러그인 하이브리드, 전기차는(더 높은 전류 및 전압을 이용하는) 훨씬 높은 전력 레벨의 전력 시스템을 필요로 하며 그에 따라서 전력 관리 기능을 위해 더 많은 실리콘을 사용한다. 혼잡한 지역에서 30~50%의 연료 효율 향상을 달성하는 전기 모터 드라이브를 개발하기 위해 필요한 추가적인 부품이 6000달러에서 많게는 15000달러에 이를 수 있다. 그러므로 이 시장 분야는 다소 느리게 성장할 것으로 예상된다. 긍정적인 측면이라면 이들 시스템이 훨씬 더 많은 실리콘을 필요로 함으로써 느린 속도로 채택될 것으로 예상을 보상한다는 것이다. 그러므로 이들 아키텍처 또한 전력 관리 솔루션의 목표 분야이다.
고전압 전력 디바이스
IR은 또한 마일드 하이브리드 용으로 10~15kW 대의 파워트레인 모터를 위한 첨단 모터 드라이브 솔루션을 개발하였다. 그리고 100kW 및 그 이상의 모터를 채택한 풀 하이브리드 및 플러그인 하이브리드와 전기차 용으로 최대 1200V 항복 전압의 IGBT 및 드라이버 IC를 공급하고 있다. 이들 애플리케이션에서 이와 같은 대형 모터를 구동하기 위한 인버터는 자동차 등급 고전압 IGBT를 필요로 한다.
실제로 통상적으로 100V에서 최고 1200V에 이르는 높은 전압으로 작동하는 그와 같은 강력한 모터는 12V 세계에 익숙한 자동차 환경의 엔지니어들에게 아마도 가장 커다란 변화일 것이다. 그러므로 이것은 이들 엔지니어가 새로운 HEV 아키텍처로 전문지식과 경험을 확장할 수 있는 중대한 학습 곡선이 될 것이다.
다양한 하이브리드 아키텍처를 위한 에너지 절약 솔루션을 공급하기 위해서 IR은 다른 고전적인 자동차 반도체 업체에 비해서 유리한 위치에 서 있다. 대부분의 자동차 반도체 업체들은 주로 12V 시스템에 주력했으므로 80V~100V 디바이스마저도 매우 높은 전압으로 인식될 것이다. 반면에 IR은 고전력 산업용 및 가전기기 모터 드라이브에 있어서 오랜 기간에 축적된 경험을 바탕으로 이들 애플리케이션을 위한 견고한 고전압 전력 디바이스를 손쉽게 제공할 수 있다.
그래서 IR은 이들 애플리케이션을 위해서 IGBT 및 제어 IC 용으로 고전압 Si 프로세스를 개발하였다. 뿐만 아니라 Si 칩 및 패키지의 신뢰성과 견고성을 향상시킴으로써 검증된 산업용 솔루션을 자동차 애플리케이션에 사용할 수 있도록 하고 있다. 이러한 결과로 IR은 매우 짧은 기간에 드라이버 IC와 전력 디바이스를 포함하는 상당한 HEV 제품 포트폴리오를 구축할 수 있게 되었다. 그와 함께 이 시장을 위한 맞춤화된 솔루션을 신속하게 제공할 수 있다.
-2.jpg)
IR은 앞으로 12개월 내에 시장을 위한 200여 개의 새로운 제품을 출시할 예정이다. 이들 제품은 높은 견고성을 지닌 동시에 안전 기능을 채택한 새로운 드라이버 IC와 IGBT, MOSFET, DirectFET 등의 고도로 효율적인 전력 디바이스를 포함한다. HEV 트랙션 모터에 결함 및 단락 회로가 발생한 경우 마이크로컨트롤러 상호작용이 필요하지 않게 하기 위해서 IR 디자이너들은 모든 모터 드라이브 IC에 보호 기능을 구현하였다. IR은 아마도 음전압 스파이크 내성을 위해서 데이터시트에 NTSOA(negative transient safe operating area)를 포함시킨 최초의 자동차 반도체 회사일 것이다. 음전압 스파이크는 HEV 인버터에서 고전류로 고전압 IGBT를 스위칭할 때 매우 흔하게 발생하는 문제이다(그림 2).
패키징 측면에서는 가전기기 분야를 위해서 수년 전에 최초로 출시하였던 DirectFET 제품군을 확대하였다. AEC 인증 규격을 완벽하게 준수하며 100% 무연인 자동차 버전 제품을 공급하고 있다. 이 첨단 칩 스케일 패키지는 업계 선도적인 낮은 Rdson, 뛰어난 스위칭 성능, 향상된 열 성능(양면 냉각 등) 이외에도 특히 HEV DC-DC 컨버터와 같은 전력 소모적인 또는 고속 스위칭 애플리케이션에서 크기와 무게를 극적으로 줄일 수 있도록 한다.
이 제품군에 솔더가능 전면 금속을 이용한 다양한 대형 전력 디바이스를 추가할 계획이다. 그럼으로써 맞춤화된 양면 냉각을 가능하게 할 뿐만 아니라 수명이 경과함에 따라서 기계적 결함의 근본적인 원인이 되는 본드 와이어를 제거할 수 있도록 한다. 뿐만 아니라 이 애플리케이션의 높은 전류 요구로 인해 고전력 모터 드라이브에서 다수의 소형 디바이스를 병렬화하는 문제를 완화하기 위해서 이 제품군은 전에는 볼 수 없던 전류 밀도가 가능한 대형 면적 디바이스를 제공할 것이다.
다양한 HEV 유형을 위한 자동차 제품 포트폴리오를 준비하는 것과 함께, IR은 자동차 환경의 그 밖의 친환경 애플리케이션을 목표로 개발 작업을 하고 있다. 또한 이를 위해 다수의 특정 애플리케이션 전력 관리 디바이스를 개발하고 있다. 에어 컨디셔닝 컴프레서, 전동 파워 스티어링, 연료 및 오일 펌프, 엔진 냉각 팬 등과 같이 한 자리 대 kW 수준의 소형 모터를 채택한 모든 주변장치 시스템을 살펴보면 이들 모든 장치가 브러쉬리스 전기 구동 AC 모터로 전환하고 있다는 것을 알 수 있다. 또한 자동차 아키텍처에 새로운 배터리 관리 시스템과 갈수록 더 많은 DC-DC 컨버터가 이용되고 있다는 것을 알 수 있다. IR의 제어 IC와 전력 스위치는 여기에 효과적으로 이용하는 데 적합하게 설계되었다.
최근에 출시된 AUIRS4427S, AUIR2085, AUIRS-2003 등과 같은 자동차 등급 드라이버 IC와 DirectFET 및 표준 패키지 트렌치 전력 스위치는 자동차 전력의 에너지 효율을 향상시키기 위한 IR의 헌신적인 노력을 잘 보여주는 것들이다.
Home >
Application Review
상세기사 보기
.gif)
기자 : 뉴스관리자 기자 
.jpg)
