재설정가능한 48V eFuse로 안전하게 연결하기

Vishay가 그들의 eFuse 레퍼런스를 소개한다. 전자 퓨즈를 채택함으로써 기계식 릴레이를 반도체로 대체하는 것이 가능할 뿐 아니라 더 유리한 결과들이 많아진다는 것은 이미 업계에서 밝혀졌다. 이 전자 퓨즈 솔루션은 온보드 전기 시스템 및 차량의 다른 기기에 대한 간섭을 줄일 수 있다. 또 반도체는 스위칭 사이클 수에 제한이 없어 퓨즈 또는 회로 차단기로서 영구적으로 사용이 가능하다. 모듈식 구조는 제품 설계 변화 요구사항에 맞게 쉽게 조정하고 개선할 수 있게 한다. 

글 | 스테판 폴크만(Stefan Volkman, 자동차 사업개발 담당 선임 FAE, Vishay






48V 전기 시스템으로의 전환은 퓨즈 및 회로 차단기의 요구사항에도 반영된다. 48V의 더 높은 전압으로 인해 기계식 릴레이는 제한된 범위에서만 적합하다. 전압이 높을수록 나중에 릴레이가 열릴 때 아크가 생성됨으로 결국 릴레이의 수명이 제한된다. 또 생성된 아크는 온보드 전기 시스템에 교란을 일으킬 수 있다. 

이에 따라 요즘 차량의 기계식 릴레이는 전력 반도체 기반의 리셋 가능한 퓨즈 부품으로 점점  대체되는 추세다. E-Fuse로 불리는 전자 퓨즈는 전기 과부하로부터 전기차 배터리를 보호하는 혁신적인 솔루션이다. 전자 퓨즈를 사용하면 기술적 단점이 있는 기계식 릴레이를 성공적으로 교체할 수 있다.

Vishay는 48V 전기 시스템에서 사용할 수 있도록 E-Fuse의 레퍼런스 설계를 제공한다. 이 설계는 응용 분야의 기술적 타당성을 입증할 뿐 아니라 Vishay가 제공하는 전력 반도체의 성능도 보여준다. Vishay는 최신의 기술과 개발을 통해 125 × 60 mm FR4 PCB에서 컴팩트한 디자인의 200 A 퓨즈를 구현할 수 있었다(그림 1). 

이 설계는 MOSFET이 백투백으로 연결됨에 따라 양방향 퓨즈로 작동할 수 있다. 최대 전류는 Power Metal Strip® 시리즈의 전류 측정 저항기를 통해 측정된다. 이 낮은 옴 저항기는 특히 자동차 애플리케이션 제품의 정밀한 전류 측정에 적합하다. 전원을 끄기 위한 전류는 약 1-200 A에서 포텐셔미터를 통해 수동으로 조정하거나 컨트롤러로 제어할 수 있다.
  
최대 허용 전류가 초과되면 회로는 약 1 μs 이내로 MOSFET에 의해 차단된다. 이처럼 신속한 대응은 차량의 배터리를 과부하로부터 보호하는 데 중요하다. 레퍼런스 설계의 목적은 개별 반도체가 있는 모듈식 구조를 보여주는 것이다. 병렬로 연결된 여러 개의 MOSFET이 있는 모듈식 설계로 인해 퓨즈는 다른 전력 클래스 또는 요구사항에도 적용될 수 있다. Vishay의 다양한 저항기는 적절한 전력 등급에 맞게 조정 또한 가능하다.

여러 개의 전력 MOSFET을 병렬로 연결하면 낮은 전력 손실로 최대 200 A의 높은 전류를 전달해(그림 2) 변화하는 요구사항에 맞도록 설계를 쉽게 조정할 수 있다. 

레퍼런스 설계는 Vishay의 최신 반도체 제품들을 적용했다. MOSFET의 낮은 ON 저항과 병렬 연결을 통해 200 A의 전류 흐름으로 약 14 W의 매우 낮은 전력 손실이 달성된다. 최대 전류 200 A를 사용한 연속 작동에서 MOSFET 및 기판의 가열된 온도는 약 75°C로 측정됐다. 

결과적으로, 전자 퓨즈는 자동차에서의 까다로운 조건에서도 추가적인 냉각을 필요로 하지 않는다. 이는 전기적 및 열적으로 최적의 부품을 사용한 설계에서만 가능하다. Vishay의 PowerPAK 8×8L은 이러한 조건을 모두 충족시키는 좋은 예다. 열적으로 최적화된 설계로 인해 MOSFET은 매우 우수하게 열을 방출시킨다. 또 갈매기 날개처럼 굽어진 납땜 조인트 구조 덕택에 열팽창에 대한 견고한 하우징은 높은 요구사항이 있는 애플리케이션 분야에 적합하다. 

설계를 최적화하거나 더 높은 전류를 위해 MOSFET은 후면 냉각 버전으로도 사용이 가능하다. 이를 통해 방열판을 드레인 접점의 납땜 조인트와 직접 접촉할 수 있다. 냉각시스템에 반도체를 직접 연결하면 실리콘 칩과 냉각시스템 사이의 열 저항이 감소된다. 이를 통해 MOSFET의 전류 운반 용량을 증가시켜 설계 성능을 향상시킬 수 있다. Power MOSFET의 온도는 SMD NTC 온도 센서에 의해 측정되어 반도체의 응력을 모니터링한다. 




그림 2 | 반도체를 병렬로 연결한 퓨즈의 모듈식 구조



Power Metal Strip® 시리즈의 측정 저항기는 주로 정밀한 전류측정에 적합하다. 이 기술은 온도 또는 전압 변화와 같은 환경 영향으로 인한 교란에 대해서도 전체 작업 영역에서 매우 안정적이다. 측정 저항기를 통한 이 전류 측정은 측정 또는 온도 범위에 한계가 있는 다른 측정 방법과 구별된다. Vishay가 제공하는 다양한 전력 및 옴값의 Power Metal Strip® 시리즈 프로브 저항기들은 제품 설계를 다른 성능 요구 사항에 맞게 조정할 수 있다. 

박막 저항 어레이는 전류를 정밀하게 측정하는 증폭기 회로에 사용된다. 이 제품들은 개별 박막 저항의 특징을 활용해 한 개의 부품만으로 사용된다. 두 개의 저항기 어레이는 생산 과정에서 서로 정밀하게 일치한다. 혹시 교란이 발생할 경우에도 부품의 작동이 거의 동일해 저항기의 비율이 동일하게 유지돼 측정 정확도를 크게 향상시킬 수 있다.

전자 퓨즈를 채택함으로써 기계식 릴레이를 반도체로 대체하는 것이 가능할 뿐 아니라 더 유리한 결과들이 많아진다는 것이 이미 업계에서 밝혀졌다. 이 전자 퓨즈 솔루션은 온보드 전기 시스템 및 차량의 다른 기기에 대한 간섭을 줄일 수 있다. 또 반도체는 스위칭 사이클 수에 제한이 없어 퓨즈 또는 회로 차단기로서 영구적으로 사용이 가능하다. E-Fuse의 모듈식 구조로 인해 제품 설계를 변화하는 요구사항에 맞게 쉽게 조정하고 개선할 수 있다. 

이 레퍼런스 설계는 아래의 다른 설계들 중에서 누구나 자유롭게 접근할 수 있다: https://www.vishay.com/landingpage/reference-designs

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