전기차 한번 충전에 주행거리 11km 연장 설계 비법

전기차(EV)의 주행거리는 kWh(킬로와트시) 단위의 순 가용 배터리 용량과 kWh/100km 또는 Wh/km로 측정되는 전기 구동장치(모터, 전자장치 및 회생제동 시스템)의 에너지 효율을 기반으로 한다. 대부분의 전기차는 일반적으로 300km에서 600km 사이의 주행거리를 제공하며 평균 주행거리는 430km이다. 전기차 제조업체는 새로운 배터리 개발과 BMS 설계, 더 효율적인 구동장치 및 공기역학적 설계, 더 가벼운 소재 적용을 통해 전기차에서 가능한 한 최대한의 주행거리를 확보하기 위해 노력하고 한다. 

전기차는 전력 변환 시스템에 의존한다. 실리콘(Si) 기반 전력반도체 스위치를 사용하는 전력 변환 시스템은 효율성을 높이고 에너지 손실을 최소화한다. 그러나 MOSFET과 같은 실리콘 전력반도체는 전압이 제한되어 있다. IGBT는 400V~1600V 사이에서 작동할 수 있지만 고주파 작동에는 사용할 수 없는 전력반도체이다. 이러한 장벽을 극복하기 위해 크기가 작고 고전압 및 고주파 모드에서 작동할 수 있으며 높은 열전도율과 낮은 온상태 저항으로 작동할 수 있는 실리콘카바이드(SiC) 및 질화갈륨(GaN)과 같은 와이드밴드갭 소자를 사용할 수 있다. 

고전압 배터리 팩에서 모터까지 에너지 흐름을 관리하는 전기차 트랙션 인버터는 배터리 전력의 주요 소비 부품이며, 전력 수준이 150kW 이상에 이른다. 트랙션 인버터의 효율성과 성능은 전기차의 1회 충전 시 주행 가능 거리에 직접적인 영향을 미친다. 따라서 이러한 시스템을 설계하기 위해 업계에서는 신뢰성과 효율성, 전력 밀도를 높이기 위해 SiC FET를 채택하고 있다. 

현재 대부분의 트랙션 인버터는 이미 90% 이상의 효율로 작동하고 있다는 점을 고려할 때, 효율성을 현 수준에서 더 높이기는 쉽지 않은 상황이다. 텍사스 인스트루먼트(TI)가 새롭게 선보인 UCC5880-Q1 강화 절연 게이트 드라이버는 그 한계에 도전한다. TI에 따르면, UCC5880-Q1의 게이트 드라이브를 사용하여 SiC 스위칭 손실을 줄이면 트랙션 인버터의 전력 수준에 따라 효율 이득을 상당히 개선할 수 있다.
 

UCC5880-Q1은 첨단 보호 기능을 갖춘 20A SiC 게이트 드라이버이다. 게이트 구동 강도는 5A에서 20A까지 다양하며 4MHz 양방향 SPI 버스 또는 3개의 디지털 입력 핀을 통해 변경할 수 있다. 

마크 응(Mark Ng) TI 하이브리드·전기차 및 파워트레인 부문 총괄 매니저는 “게이트 구동 강도를 실시간으로 5A에서 20A 사이의 단계에서 변경함으로써, UCC5880-Q1 게이트 드라이버로 SiC 스위칭 손실을 최소화하여 시스템 효율성을 최대 2%까지 개선할 수 있다.”고 말했다. 
실제로 TI는 WLPT(국제표준배출가스시험방식)과 실제 드라이브 로그 속도 및 가속 설정으로 모델링한 결과, SiC 전력 스테이지 효율이 최대 2% 향상되었음을 확인했다. 

마크 응 총괄 매니저는 “시스템 효율을 최대 2%까지 개선함으로써 한번 충전으로 7마일(약 11km)의 추가 주행거리를 확보할 수 있다. 7마일은 일주일에 3회 충전하는 전기차 기준으로 연간 1,000마일(약 1,600km) 이상의 추가 주행거리를 확보할 수 있다는 의미이다.”라고 말했다. 

UCC5880-Q1은 실시간 가변 게이트 드라이브 강도(Real-time variable gate-drive strength), SPI(Serial Peripheral Interconnect) 프로그래밍 뿐만 아니라 통합 SiC 모니터링 및 보호 기능을 제공하여 설계의 복잡성은 물론, 외부 부품 비용을 절감시켜 준다. 

UCC5880-Q1의 SiC 게이트-임계 전압 모니터링 기능은 시스템 수명 주기 동안 EV를 켤 때마다 임계 전압(threshold voltage) 측정을 수행하고 전원 스위치 고장 예측을 위해 MCU에 전원 스위치 정보를 제공한다. 

시스템 엔지니어는 TI와 울프스피드(Wolfspeed)가 개발한 800V, 300kW SiC 기반 전기차 트랙션 인버터 레퍼런스 디자인(TIDM-02014)을 사용하여 부품 수를 줄이고 효율적인 트랙션 인버터 시스템을 신속하게 프로토타이핑할 수 있다. 테스트를 거친 맞춤형 레퍼런스 디자인은 UCC5880-Q1, 바이어스 공급 전원 모듈, 실시간 제어 MCU, 고정밀 센싱 기능을 포함하고 있다. 
 
절연 게이트 드라이버 IC는 저전압-고전압(입력-출력) 갈바닉 절연을 제공하고 SiC 기반 인버터의 각 위상의 하이사이드 및 로우사이드 전력 스테이지를 구동하며 다양한 오류 조건으로부터 트랙션 인버터를 모니터링하고 보호한다. ASIL(Automotive Safety Integrity Level) 기능 안전 요구사항에 따라 게이트 드라이버는 ISO 26262를 준수해야 하며, 단일 및 잠재 결함에 대해 각각 ≥99%, ≥90%의 결함 감지를 보장해야 한다. 

최대 ASIL-D 등급의 기능 안전성을 지원하는 UCC5880-Q1 절연 게이트 드라이버는 EV 시장에서 널리 사용되고 있는 SiC MOSFET과 IGBT를 모두 구동하도록 설계되었다. UCC5880-Q1 시제품 버전은 10.5-mm×7.5-mm 32-핀 SSOP로 현재 TI.com에서만 구매할 수 있다.

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