새로운 STripFET F8 기술을 이용해 제조된 STL325N4LF8AG는 eFuse 애플리케이션과 연관된 모든 스트레스 상태를 견디도록 맞춤 설계되었다. 이 장치는 12V/24V 배터리 시스템의 전도성 과도 전압에 대해 국제표준 ISO 7637-2에서 정의한 모든 테스트를 성공적으로 통과할 수 있다. 이런 동급 최고의 성능을 지닌 STL325N4LF8AG는 까다로운 자동차 애플리케이션에서 보다 안전한 배전 시스템을 제공할 수 있는 최적의 제품이라고 할 수 있다.

글 | 쥬시 감비노(Giusy Gambino), ADG 마케팅 수석 엔지니어, ST마이크로일렉트로닉스 이탈리아 카타니아 지사





고전력 ECU에 대한 수요가 증가하면서 전용 배전 솔루션을 개발하는 시스템 설계자가 늘고 있다. 기존에 사용되던 퓨즈를 무접점 스위치로 교체하면 결함 상태에서 과전류로부터 최종 부하를 보호해 화재를 방지할 수 있다. 
12V의 납산 배터리가 장착된 기존의 자동차 아키텍처의 경우, 무접점 보호 기능은 높은 에너지 방전과 높은 연속 전류 흐름을 모두 견뎌야 한다. 이에 ST는 서브 밀리옴 온저항 AEC Q101 MOSFET을 통해 무접점 고전류 eFuse(Electronic Fuse) 솔루션의 엄격한 요건을 완벽하게 충족하는 STPOWER STripFET F8 40V 시리즈를 개발했다.


자동차 시스템의 배전  
기존의 자동차 배전 시스템은 중앙 집중식 아키텍처 기반으로 설계돼 중앙 릴레이와 퓨즈 박스가 위치한 곳에서 개별 로딩 시스템을 각각 모니터링함으로써 12V 배터리의 전력을 분배한다. 이런 퓨즈 박스는 끊어진 퓨즈를 교체하기 위해 접근할 수 있는 지점을 제공하지만, 기계적 마모, 먼지, 충격, 진동에 취약하다. 중앙 집중식 접근 방식의 경우, 와이어 하니스가 매애 많이 필요하기 때문에 분배 손실에 대한 효율성이 떨어지게 된다. 

현재는 낮은 손실과 고전력 관리 및 안전을 보장하고자 새로운 접근 방식을 채택하고 있다. 이 새로운 자동차 시스템은 분산 아키텍처에 여러 개의 소규모 배전 센터를 배치하는 스마트 배전을 기반으로 한다. 이 소규모 센터는 LIN이나 CAN을 통해 서로 통신한다. 이런 모듈식 구현 덕분에 차량에 영역 기반 아키텍처를 채택해 와이어 하니스를 대폭 줄임으로써 전기적 성능을 높일 뿐만 아니라 시스템 비용과 무게를 최적화할 수 있다.

퓨즈나 릴레이 같은 기존의 전자기계 장치를 eFuse로 작동하는 전자 및 전기 모듈로 교체하면 실시간 정보 교환과 관련된 진단 및 보호 기능을 개선해 엄청난 이점을 얻게 된다. 뿐만 아니라, 무접점 스위치는 배전 시스템의 손실을 최소화하므로 차량의 연비를 개선하고 CO2 배출량을 줄여준다. 마지막으로 eFuse는 시스템 신뢰성을 높여 엄격한 자동차 안전 요건을 충족한다.
그림 1은 스마트 자동차 배전 시스템의 블록 다이어그램이다.

그림 1 | 스마트 자동차 배전 시스템의 블록 다이어그램


스마트 스위치 
MCU로 구동되는 제어 회로와 온저항이 낮은 전원 스위치를 통합한 eFuse 스마트 스위치는 입력 포트를 부하에 연결하는 데 사용된다. eFuse는 과전류 및 과전압 상태를 감지해 신속하게 반응하는 표준 퓨즈처럼 작동한다. 과부하 상태가 발생하면 이 장치는 출력 전류를 사용자가 정의한 안전한 값으로 제한한다. 비정상적인 과부하 상태가 지속되면 eFuse는 개방 상태가 되며, 주 배터리에서 부하를 분리한다. eFuse는 기존 퓨즈보다 크기는 작으면서 성능이 더 빠르고 효율적이며 오류 발생 후에도 교체할 필요가 없다.
높은 전류 제한이 필요한 고전력 자동차 시스템의 경우, 양방향 작동을 위해 이중 BTB(Back-to-Back) 구성에서 외부 전원 스위치가 매우 견고하고 온저항이 낮은 전력 MOSFET과 함께 사용된다.

그림 2는 외부 전력 MOSFET을 갖춘 eFuse 시스템의 블록 다이어그램을 보여준다. 여기에서는 과전류가 예기치 않게 발생하면 배터리에서 부하로 또는 그 반대 방향으로 전류 흐름이 중단된다.
션트 저항(Rshunt)이 삽입돼 분기로 이동하는 전류를 실시간으로 감지한 다음, 전류가 예기치 않게 증가하는 경우 시스템 전원을 끄고 종료할 수 있다. 피드백 신호를 컨트롤러에 전달해 MOSFET의 게이트-소스 전압(VGS)을 적절하게 조정해 전류를 목표 값으로 제한함으로써 전류를 일정하게 유지할 수 있다.




그림 2 | 외부 전력 MOSFET을 갖춘 eFuse 시스템의 블록 다이어그램



전력 MOSFET 선정 가이드라인 
선형 모드 견고성 
정적 저항 특성과 더불어 전류 성능과 선형 모드 작동 측면에서 견고한 성능을 갖춘 MOSFET을 선택해야 한다.
12V 납산 배터리로 구동되는 기존 자동차 부하의 경우, 무접점 보호 기능이 ECU에서 요구하는 최대 160A~200A의 연속 전류 흐름을 견뎌내야만 약 1kW의 전력을 공급할 수 있다. 

이에 대한 예시로서 EPS(Electric Power Steering) 시스템의 일반적인 전류 프로필을 그림 3에서 볼 수 있다.
총 최대 전류는 주기 시간이 약 40초이고 6회의 시퀀스에서 10초 동안 일시 중지가 발생하는 상태에서 160A에 도달한다.
전력 MOSFET은 고전류 외에도 ECU 입력 시 존재하는 벌크 커패시터 어레이의 초기 충전 단계를 관리해 소프트 점화를 보장해야 한다. 이 경우 ECU의 입력 핀에서 전압을 원만하게 높이기 위해서는 정전류가 필요하기 때문에 고전압 링잉과 전류 스파이크를 방지할 수 있다. EPS용 배전 시스템은 15mF의 벌크 커패시터 스택의 충전 단계에 3~4A의 정전류를 공급해야 한다. 이런 작동 상태가 되면 MOSFET이 전원을 켰을 때 실패 없이 선형 모드 작동을 처리할 수 있다. STL325N4LF8AG는 130ms 동안 10A의 전류로 94mF 커패시터 스택을 사전에 충전하기 위해 과스트레스 상태에서도 무리 없이 작동한다(그림 4). 
전력 MOSFET은 이론적 SOA(Safe Operating Area)와 일치하는 선형 모드 작동 상태를 견딜 수 있기 때문에 장치의 열 폭주 현상을 방지한다.




그림 3 | EPS 시스템의 일반적인 전류 프로필


그림 4 | 사전 충전 단계에서 STL325N4LF8AG에 대해 측정된 파형


에너지 처리
마지막으로, 전력 MOSFET은 전원을 껐을 때 막대한 에너지 방전 스트레스를 견뎌야 한다. 실제로 주 배터리를 최종 애플리케이션 제어 보드에 연결하는 와이어 하니스로 인해 기생 스트레이 인덕턴스와 관련해 높은 임피던스가 발생하며, 이로 인해 배전 시스템에서 막대한 양의 에너지 방전을 초래한다. 

이 에너지는 두 가지 방법으로 관리할 수 있다. 하나는 ECU에서 특정 문제가 발생한 경우 MOSFET의 전원을 껐을 때 단일 애벌랜치를 유발시키는 방법이고, 다른 하나는 액티브 클램프를 통해 MOSFET이 선형 모드에서 다시 한번 작동하도록 강제하는 방법이 있다. EPS 시스템과 관련된 전류 프로필이 위와 같을 때는 테스트 보드 그림(그림 5)에 나와 있듯 4개의 전력 MOSFET을 병렬로 연결하는 방법을 고려해볼 수 있다.
그림 6에서와 같이 STL325N4LF8AG는 40A의 특정 애벌랜치 테스트에서 제대로 작동할 수 있다.
또한 이 장치는 에너지 관리 측면에서 전원을 껐을 때도 안정적 성능을 발휘한다.


그림 5 | EPS 전원 스위치를 위한 테스트 보드


그림 6 | 전원을 껐을 때 단일 애벌랜치를 유발하는 STL325N4LF8AG에서 측정된 파형



ISO 7637-2 준수 

12V/24V 배터리 시스템의 경우, 자동차 eFuse는 공급 레일에서 생성된 과도 전압과 관련해 국제 ISO 7637-2 표준에서 부과하는 주요 의무를 이행해야 한다. dv/dt가 높은 경우에는 심각한 저에너지부터 고에너지까지, 또는 높은 에너지 수준부터 낮은 에너지 수준까지 범위가 다양할 수 있다.

ISO 7637-2 펄스 1 
펄스 1은 그림 7에서와 같이 전원 공급 장치의 연결이 중단될 때 유도성 부하와 병렬로 연결되어 있는 전자 장치에서 관찰되는 음의 과도 전압을 나타낸다.
STL325N4LF8AG는 ISO 7637-2 펄스 1을 준수한다는 것이 검증됐고, 측정 결과는 그림 8에서 볼 수 있다.
실험 데이터는 STL325N4LF8AG가 주요 매개변수의 실패나 감세 없이 ISO 7637-2 펄스 1 테스트를 통과할 수 있음을 보여준다.




그림 7 | ISO 7637-2 펄스 1 테스트를 위한 과도 전압 파형 및 매개변수


그림 8 | ISO 7637-2 펄스 1 테스트를 위해 STL325N4LF8AG에서 측정된 파형(우측 확대 이미지)


ISO 7637-2 펄스 2a      
펄스 2a는 그림 9에서와 같이 테스트 중인 전자 장치와 병렬로 연결된 회로에서 전류가 차단될 때 발생할 수 있는 양의 전압 스파이크를 나타낸다. ISO 7637-2 펄스 2a 테스트를 위한 STL325N4LF8AG의 측정 결과가 그림 10에 나와 있다.
STL325N4LF8AG는 이 경우에도 주요 매개변수의 실패나 감세 없이 테스트를 통과할 수 있다.



그림 9 | ISO 7637-2 펄스 2a 테스트를 위한 과도 전압 파형 및 매개변수


그림 10 | ISO 7637-2 펄스 2a 테스트를 위해 STL325N4LF8AG에서 측정된 파형(우측 확대 이미지)


ISO 7637-2 펄스 3a 및 3b      
펄스 3a와 3b는 그림 11, 12에서와 같이 와이어링 하니스의 분산 커패시턴스와 인덕턴스의 영향을 받는 스위칭 프로세스의 결과로 인해 발생할 수 있는 음의 전압 스파이크를 정의한다. 표 1에는 테스트를 위한 매개변수 값이 나와 있다.




그림 11 | ISO 7637-2 펄스 3a 테스트를 위한 과도 전압


그림 12 | ISO 7637-2 펄스 3b 테스트를 위한 과도 전압


표 1 | ISO 7637-2 펄스 3a 및 3b 테스트를 위한 과도 전압 매개변수


ISO 7637-2 펄스 3a 및 펄스 3b 테스트와 관련된 STL325N4LF8AG에 대한 실험 데이터가 그림 13과 그림 14에 나와 있다.
펄스 3a와 3b 테스트 모두에서 STL325N4LF8AG에 대한 테스트 결과가 양성으로 나왔다.




그림 13 | ISO 7637-2 펄스 3a 테스트를 위해 STL325N4LF8AG에서 측정된 파형(오른쪽에 확대)

그림 14 | ISO 7637-2 펄스 3b 테스트를 위해 STL325N4LF8AG에서 측정된 파형(우측 확대 이미지)


ISO 7637-2 펄스 5a 및 5b (로드 덤프) 
펄스 5a와 5b는 로드 덤프 과도 전압을 시뮬레이션한 것으로, 그림 15 및 그림 16에서와 같이 교류 발전기가 충전 전류를 생성하는 동안 다른 부하가 교류 발전기 회로에 남아 있는 상태에서 방전된 배터리가 분리되는 경우에 발생한다.
12V 시스템에서 이 테스트를 수행하기 위한 매개변수 값이 표 2에 나와 있다.




그림 15 | ISO 7637-2 펄스 5a 테스트를 위한 과도 전압


그림 16 | ISO 7637-2 펄스 5b 테스트를 위한 과도 전압


표 2 | ISO 7637-2 펄스 5a 및 5b 테스트를 위한 과도 전압


ISO 7637-2 펄스 3a 및 펄스 3b 테스트를 위해 STL325N4LF8AG에서 측정된 파형이 그림 17과 그림 18에 나와 있다.
따라서 STL325N4LF8AG는 로드 덤프에 대한 보호 기능도 제공할 수 있다.




그림 17 | ISO 7637-2 펄스 5a 테스트를 위해 STL325N4LF8AG에서 측정된 파형


그림 18 | ISO 7637-2 펄스 5b 테스트를 위해 STL325N4LF8AG에서 측정된 파형



결론

새로운 STripFET F8 기술을 이용해 제조된 STL325N4LF8AG는 eFuse 애플리케이션과 연관된 모든 스트레스 상태를 견디도록 맞춤 설계되었다. 이 장치는 12V/24V 배터리 시스템의 전도성 과도 전압에 대해 국제표준 ISO 7637-2에서 정의한 모든 테스트를 성공적으로 통과할 수 있다. 이런 동급 최고의 성능을 지닌 STL325N4LF8AG는 까다로운 자동차 애플리케이션에서 보다 안전한 배전 시스템을 제공할 수 있는 최적의 제품이라고 할 수 있다.