릴레이 및 퓨즈를 대체하는 이상적인 고전류 반도체 스위치

매우 낮은 온저항과 새로운 차원의 에너지 용량

2017년 03월호 지면기사  /  글│베노아 루소(Benoit Rousseau), Infineon Technologies



릴레이는 여전히 엔진 냉각, 후방 윈도 히팅, 전면 유리성에 제거, 제어장치의 메인 스위치, 전자식 브레이크 시스템의 진공펌프 등과 같은 고전류 부하에 광범위하게 사용되고 있다. 아직 이를 대체할만한 성능의 반도체 제품이 나오지 않은 까닭이다. 그러나 이제 전원분배의 새로운 시대를 여는 제품이라 할 수 있는 극히 낮은 저항의 스마트 하이사이드 스위치 Power PROFET 제품군이 출시됨으로써 이러한 상황이 변화를 맞고 있다.

 

 

인피니언은 약 25년 전 지멘스 반도체(Siemens Semiconductors) 당시 업계 최초로 PROFET(PROtectedmosFET)을 출시했다. PROFET 출시는 마침내 다양한 자동차 바디 애플리케이션에서 릴레이 및 퓨즈를 반도체 스위치로 대체하게 된 것을 의미했다. 오늘날 반도체 솔루션은 이미 중간 수준의 10 A 미만 전류의 차체제어 모듈(BCM) 시장에서 가장 큰 부분을 차지한다.

 

그러나 릴레이는 여전히 엔진 냉각, 후방 윈도 히팅, 전면 유리성에 제거, 제어장치의 메인 스위치, 전자식 브레이크 시스템의 진공펌프 등과 같은 고전류 부하에 광범위하게 사용되고 있다. 아직 이를 대체할만한 성능의 반도체 제품이 나오지 않은 까닭이다. 그러나 이제 전원분배의 새로운 시대를 여는 제품이라 할 수 있는 극히 낮은 저항의 스마트 하이사이드 스위치 Power PROFET 제품군이 출시됨으로써 이러한 상황이 변화를 맞고 있다.


전기기계식 릴레이 및 퓨즈를 대체하는 신제품 Power PROFET(그림 1)은 지능적이며신뢰성 있고 에너지 및 비용 효율적인 전류분배 시스템을 구현할 수 있게 한다. 매우 낮은 온저항(최저 1.0 mΩ)을 갖는 이 하이사이드 스위치는 최대 40 A DC의 전류를 처리할 수 있고, 지금까지 유례가 없던 최대 3,000 mJ의 에너지 용량을 제공한다. 또한 자동차 및 12 V 산업용 애플리케이션을 위한 광범위한 보호 및 진단기능을 제공한다.

Power PROFET은 특별히 고전류 애플리케이션과 스마트 전원분배 시스템에 적합하도록 설계됐다. 안전하고 신뢰성 있는 동작을 보장하기 위해 단락회로, 과열, 과부하, 과전압, 접지 또는 배터리 연결 손실에 대한 보호기능들을 내장하고 있다.


지능적이고 안전한 전원분배


과거 전원분배 아키텍처는 릴레이와 퓨즈의 한계로 인해 발전이 정체돼 있었다. Power PROFET은 이러한 문제를 해결하고 많은 이점을 제공한다. 예를 들어 릴레이, 퓨즈, 릴레이 드라이버, 케이블 및 커넥터와 같은 다수의 부품을 단일 칩으로 대체할 수 있다. 뿐만 아니라 반도체 스위치는 먼지와 충격, 진동에 강하다. 이로 인해 부품 장착 위치 선정 및 조립공정에 대한 유연성이 증가한다.

동시에 Power PROFET은 30 A DC에서 2 W 미만을 소비하므로 기계적 솔루션에 비해 전력손실을 7배 낮춰준다. 또한 단일 펄스에서 최대 3000 mJ, 반복 펄스에서 550 mJ 에너지 레벨을 제공해 수명이 현저히 증가한다. 이에 따라, 많은 경우 그전까지 필수적이었던 프리 휠링 다이오드가 불필요해 시스템 비용을 줄일 수 있다.

Power PROFET은 단순한 릴레이 대체품을 넘어 더욱 많은 기능과 더 높은 에너지 효율, 더 우수한 신뢰성을 제공한다. 기본적으로 Power PROFET은 두 가지 일반적인 구현에 적용할 수 있는데, 릴레이의 한계를 극복해 특수한 부하에 이용하는 것과 최적화된 전원분배 아키텍처를 구현하는 용도로 이용할 수 있다.

릴레이는 아크 발생으로 인해 높은 스위칭 사이클과 높은 유도성 부하가 제한된다. Power PROFET과 새로운 수준의 에너지 처리 성능을 사용하면 아크 발생을 방지할 수 있다. 여기에 Power PROFET 반도체 스위치는 저속(약 100 Hz) 펄스 폭 변조(PWM)가 지원돼 좌석 히터 온도조절 같은 부하의 전류를 제어할 때 지능적인 전력관리를 구현할 수 있다. 이러한 기능은 동시에 많은 부하에 전력을 공급해야 할 경우 전력수요의 증가와 잠재적 제한을 고려하면 중요한 의미를 갖는다.

과부하에 대한 특성은 또 다른 중요한 이점을 갖는다. 결함이 발생해 애플리케이션을 사용할 수 없을 때 퓨즈를 교체해야 할 필요가 있지만, Power PROFET은 간단히 소프트웨어를 이용해 리셋하고 재작동하면 된다. Power PROFET은 100만 번 이상의 단락회로 사이클을 견딜 수 있고 EC-Q100 표준 Grade A의 엄격한 요구사항을 만족한다. 이 밖에 스위칭 시 릴레이는 일정한 수준의 소음이 발생하지만, Power PROFET은 소음이 발생하지 않는다.

시스템 레벨에서 볼 때 자동차에서 애플리케이션과 편의 기능의 증가는 전원분배 시스템에 많은 어려움을 안겨준다. 중앙 집중식 릴레이/퓨즈박스와 복잡한 와이어 하네스에 기반한 전통적인 아키텍처는 한계에 다다랐으며, 이러한 경향을 지원할 수 있도록 발전할 필요가 있다. 이러한 점에서 새로운 Power PROFET은 분산되고 유연한 아키텍처(그림 2)를 갖는 여러 개의 다중 지능형 전원분배 센터를 가능하게 하는 확실한 이점을 제공한다.


퓨즈는 유지보수를 위해 오직 접근 가능한 곳에만 배치할 수 있기 때문에 이러한 유연성을 제공하지 못한다. 반면 이와 같은 분산형 아키텍처는 3가지 주요 장점을 갖는다.

첫째, 더 짧고 더 적은 배선으로 와이어 하네스를 크게 간소화할 수 있다. 다음으로, 전자 스위치 센터는 릴레이박스나 퓨즈박스보다 훨씬 작아 공간이 절약된다. 마지막으로, 낮은 손실과 높은 전류 밀도 덕분에 구동전류 용량을 증가시킬 수 있다.

이 밖에 반도체 스위치를 사용하면 진단기능을 구현할 수 있어 전류를 모니터링하고 제어할 수 있으며, 마이크로컨트롤러에 의해 오류를 쉽게 검출하고 표시할 수 있다. 이것은 무엇보다 자율주행의 핵심 요구사항의 하나이다.

또 하나 중요한 측면은 비용이다. 릴레이와 퓨즈는 가격변동이 별로 없지만, 반도체 제품은 새로운 기술이 도입되면 가격이 내려가는 이점이 있다. 반도체 스위치와 릴레이를 비교하면 손익분기점은 현재 약 15 A이지만, 더 높은 전류로 이동될 것이다. 이것은 반도체 스위치가 비용 면에서 점점 더 많은 관심을 끌게 된다는 것을 의미한다.

 

이는 특히 더 저렴한 배선을 계산에 포함할 경우 시스템 레벨에서 명확하게 드러난다. 또 필요한 부품이 더 적기 때문에 보다 정교한 분산형 시스템을 제작할 수 있고, 이에 따라 필요한 라인의 수나 길이도 줄어든다. 이러한 방식에서는 에너지 효율도 증가하며, 무게도 줄이고 제조공정을 간소화할 수 있다.


Power PROFET 하이사이드 스위치는 특히 뛰어난 장점으로, RDS(on) 값이 1.0 mΩ, 1.5 mΩ, 2.0 mΩ, 2.5 mΩ의 낮은 온저항을 갖는다. 스위치는 25~ 40 A로 저항성, 유도성 및 용량성 부하를 구동할 수 있다. 자동차 및 산업용(12 V) 시장에 적합하도록 설계된 이들 스위치는 부하 검출, 단락회로 및 과열보호, 접지 연결손실 시 분리 등과 같은 보호 및 진단기능(그림 3)을 통합하고 있다. 보호기능으로 주목할만한 기능의 하나는 ReverSave 기능이다. ReverSave 기능은 배터리 극성이 잘못된 경우 자동으로 전력 MOSFET을 스위칭함으로써 부품을 보호한다.

Power PROFET은 혁신기술을 기반으로 높은 에너지 용량을 제공해 스톱스타트 시스템의 스타터 릴레이나 DC 펌프 및 팬과 같은 애플리케이션에 이상적이다.

Power PROFET은 8~18 V의 입력전압으로 동작하고 3 V 호환 로직 입력을 제공한다. 돌입전류는 최대 150 A에 도달할 수 있으며, 출력 핀에서 누설전류는 매우 낮다. 또한 Power PROFET 스위치는 매우 높은 EMC 내성을 자랑한다.

Power PROFET 제품군 디바이스는 핀호환되며, 모두 동일한 기능과 함께 확장 가능한 온저항을 제공한다. 따라서 개발자는 보드 레이아웃을 변경할 필요없이 부하나 부품을 교체할 수 있다. 인피니언은 설계지원으로 Power PROFET BTS50015-1TAD 아두이노 평가보드를 제공한다(그림 4).



확장 가능한 하이사이드 스위치


하이사이드 스위치는 다양한 종류의 애플리케이션에 적용할 수 있다. 예를 들어 PROFET+ 제품군은 자동차의 조명 애플리케이션과 최대 10 A의 일반 부하제어에 적합하다. High Current PROFET 제품군 부품은 특별히 히팅 및 10~20 A 전류의 유사한 애플리케이션을 위해 설계됐다. 포트폴리오는 현재 고전류 릴레이 및 퓨즈 대체품으로서 20~40 A의 부하전류를 위한 새로운 Power PROFET으로 확장됐다.  

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