고 강압비 DC/DC 컨버터, 마일드하이브리드 전원 시스템 개선

2 MHz 스위칭 동작 시 최대 60V에서 2.5V로 강압

2018년 01월호 지면기사  /  출처│로옴 주식회사

로옴은 마일드하이브리드카(MHV) 등 48 V 전원으로 구동하는 차량용 시스템을 위한 MOSFET 내장 스텝다운 DC/DC 컨버터를 개발했다. 고속 펄스 제어 기술인 ‘Nano Pulse Control’을 탑재해 스위칭 주파수를 2 MHz 이상으로 유지함과 동시에 입력전압 16 V에서 60 V까지 안정적으로 2.5 V를 출력할 수 있다.

에너지절약 요구와 마일드하이브리드카 보급


현재 사회 트렌드로서, 지구온난화 대책이 모든 제품에 요구되고 있다. 자동차 분야도 예외가 아니다. 각 지역에서 2020년까지의 규제 목표를 제정하고 있으며, 그 중에서도 가장 까다롭다고 할 수 있는 유럽에서는 95 g/km를 목표로 하고 있다. 이러한 목표를 달성하기 위해 여러 회사에서 전동화 차량 개발을 추진하고 있다.

전동화 차량에는 다섯 종류가 있다. 전기만으로 주행하는 순수(pure) EV, 연료 배터리로 주행하는 연료전지(Fuel Cell) EV, 회생에너지 충전으로 엔진 주행을 지원해 전기만으로도 주행이 가능한 스트롱하이브리드, 가정용 콘센트로 충전이 가능한 플러그인(Plug-in) 하이브리드, 48 V 리튬이온 배터리로 회생 에너지를 충전해 엔진의 스타트?스톱 및 주행 보조에 사용하는 마일드하이브리드가 그것이다. 이 중에서 48 V 마일드하이브리드는 2024년 710만 대 생산이 예상된다(그림 1).



자동차를 전동화하면 연비가 향상되는 이유는 무엇일까? 기존 엔진 자동차의 경우 가솔린 또는 디젤로 엔진을 구동하고, 엔진을 통해 납 배터리를 충전해 에어컨 및 조명 등의 전기계를 구동한다. 따라서 전기계를 사용하면 할수록 연비가 악화된다. 반면에 전동식 차량의 경우 브레이크 등에서 발생하는 회생에너지를 리튬이온 배터리에 충전해 에어컨 및 조명 등의 전기계에 사용함으로써 엔진의 발전량을 줄일 수 있으므로 연비가 향상된다.

전동화 차량에서 스트롱하이브리드카 및 플러그인하이브리드카는 CO₂ 절감효과가 크지만, 추가 비용이 발생하기 때문에 소형차에는 탑재가 어렵다. 또한 기존의 12 V 시스템에서는 CO₂ 절감효과에도 한계가 있으므로, 저비용으로 높은 CO₂ 절감효과가 기대되는 48 V의 리튬이온 배터리를 사용한 마일드하이브리드 시스템이 주목받고 있다.

마일드하이브리드에 요구되는 전원 IC

마일드하이브리드카와 기존 시스템의 큰 차이점은 배터리의 전원전압이다. 기존 시스템에서는 12 V였던 전원전압이 마일드하이브리드카의 경우 4배 높은 48 V이다. 그러나 사용하는 전자제어장치 전압은 변하지 않으므로 입출력 전압차가 커지게 된다(그림 2).



따라서, 보다 높은 입력전압에서 낮은 출력전압을 생성하기 위해 강압비가 높은 DC/DC 컨버터가 요구된다. 또한, 자동차 기기용 전원 IC에서는 전자파 간섭을 방지하기 위해, AM 라디오 대역인 0.5 MHz~1.7 MHz에 영향을 미치지 않도록 2 MHz의 스위칭 주파수가 필요하다. 기존에는 전자제어장치에 필요한 전압을 생성하기 위해, 2 칩을 탑재해 48 V에서 일단 12 V를 생성하고, 생성된 12 V에서 다시 5 V 및 3.3 V를 생성했다.

그러나 이러한 방법으로는 주변 부품이 2배가 되어 실장 면적이 커지는 문제가 있다. 주파수를 낮추어 1칩으로 전압을 생성하는 방법도 있지만, 스위칭 주파수가 낮기 때문에 코일이나 콘덴서 등의 주변 부품이 커질 뿐만 아니라, 발생하는 주파수가 AM 라디오 주파수에 영향을 미친다는 문제가 있다.

따라서 마일드하이브리드에는 48 V 입력에서 3.3 V를 직접 출력할 수 있고, 스위칭 주파수가 AM 라디오 대역 이상에서 동작 가능한 DC/DC 컨버터가 요구되지만, 이를 실현하기 위해서는 몇 가지 해결해야 할 과제가 있었다.

Nano Pulse Control을 통한 전원의 원칩화

보다 높은 입력전압에서 낮은 출력전압을 높은 주파수로 실현하기 위한 기술 과제로서, 스위칭 펄스폭을 좁게 할 필요가 있다. DC/DC 컨버터의 스위칭 펄스폭은, 입력전압?출력전압?스위칭 주파수의 함수로서, 다음 식으로 구할 수 있다.

이 식에서도 알 수 있듯이, 입력전압이 높고 출력전압이 낮으며, 주파수가 높을수록 스위칭 펄스폭은 좁아진다. 따라서 마일드하이브리드용 전원은 스위칭 펄스폭을 좁게 하는 기술이 필요하다.

그러나 펄스폭을 좁게 하기 위해서는 스위칭 시 발생하는 노이즈 문제를 해결해야만 한다. 입력전압을 높이면, IC 내부에 포함된 기생 인덕턴스로 인해 스위칭 시 노이즈 성분이 증가한다. 고주파화의 경우도 마찬가지로, 소자의 기생용량 및 스위칭 빈도의 증가로 인해 노이즈 성분이 증가한다(그림 3).



이러한 스위칭 노이즈가 IC 내부로 유입될 경우, 동작이 불안정해진다. 기존 제어방법으로는 이 노이즈가 IC에 유입되지 않도록 마스크 시간이 필요하다. 또한 회로를 동작시키기 위해서는 아날로그 회로를 동작시켜야 하므로, 이때 지연이 발생하게 된다. 이러한 두 가지 요인으로 인해 노이즈 성분이 증가하면 펄스폭은 두꺼워지게 된다.

이러한 문제를 해결하기 위해, 로옴은 노이즈가 발생하기 전의 정보를 검출해 그 정보를 바탕으로 제어를 실행하는 초고속 펄스 제어 회로와 고내압 BiCDMOS 프로세스를 활용한 신기술 ‘Nano Pulse Control’을 개발했다.

이 기술을 탑재한 기종의 제1탄으로서 ‘BD9V100MUF-C’를 개발했다. 48 V 전원에 요구되는 최대 전압인 60 V 입력에서 3.3 V 출력을 실행하기 위해 필요한 펄스폭은 30 ns이지만, 실제 IC에서는 부하 변동 및 전원 변동을 고려해 더욱 좁은 펄스폭이 필요하다. ‘BD9V100MUF-C’는 30 ns를 크게 상회하는 9 ns의 고속 제어가 가능하다. 그 결과 60 V 입력, 2.5 V 출력이라는 업계 최고 강압비 24:1을 실현했다. 60 V 입력에서 2.5 V 출력에 필요한 펄스폭은 20 ns이다(그림 4).



또한 고속 제어를 실현함으로써 스위칭 주파수를 2 MHz 이상으로 유지함과 동시에 입력전압 16 V에서 60 V까지 안정적으로 2.5 V를 출력할 수 있다(그림 5).




이 제품을 사용함으로써 기존 IC에서는 48 V에서 12 V를 생성하고, 다시 12 V에서 3.3 V를 생성하기 위해 2칩이 필요했던 DC/DC 컨버터 구성을 1칩으로 직접 강압해 48 V에서 3.3 V를 한 번에 생성할 수 있다.

이 제품은 자동차 기기용 제품이므로, 이상 상태 발생 시 파괴로부터 IC를 보호하는 기능을 탑재하고 있다. 입력전압이 60 V로 커지면, 출력 및 스위칭 단자 단락 시 큰 에너지가 발생하기 때문에, 대전류가 흐른 후에 이상을 검출하는 기존의 단락 검출 방법으로는 IC가 파괴되고 만다. 따라서 대전류가 흐르기 전, 사전에 이상을 검출해 IC를 보호하는 새로운 방식의 보호 검출 기술을 개발해 출력이 이상 상태가 되어도 IC를 파괴로부터 보호할 수 있다.

또한 솔더 융착성과 시인성이 우수한 웨터블 플랭크(wettable flank) 패키지를 사용함으로써 실장 신뢰성도 향상된다.

산업기기 분야로의 전개

48 V 리튬이온 배터리는 자동차 분야 이외에, 건설기기 및 기지국으로 대표되는 산업기기 분야에서도 널리 사용되고 있다. 이러한 분야에 사용되는 대부분의 마이크로프로세서가 3.3 V나 5 V이므로 이 제품을 적용할 수 있다. 기존에는 불가능한 고주파 동작을 실현함으로써 주변 부품의 소형화가 가능해 자동차 기기와 동일한 활용이 가능하다.

마일드하이브리드 도입 가속

자동차의 CO₂ 절감이 중요시 됨에 따라 연비 개선 또한 자동차 판매 사양으로서 중요시 되고 있다. 48 V 리튬이온 배터리를 사용한 마일드하이브리드는 비용 대비 성능이 우수한 하이브리드 시스템으로서 향후 시장점유율이 증가할 것으로 예상된다. 이 IC는 이러한 마일드하이브리드에 사용되는 전원으로서 소형화와 시스템 간소화에 크게 기여할 것으로 기대하고 있다. 특히 마일드하이브리드 도입이 가속화되는 유럽 자동차 시장에서는 이 IC의 특성이 큰 장점이 될 것으로 판단된다.
 

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