자동차 존 아키텍처를 위한 혁신적인 전력 분배 솔루션

이 글은 자동차 존 아키텍처를 위한 전력 분배 솔루션을 제시하며, 이는 ST의 STi²Fuse 스마트 퓨즈와 백투백(B2B) MOSFET 구성을 결합해 양방향 전력 레일 스위치(PRS)를 구현한다. PRS는 대칭 전압 차단과 양방향 전류 흐름 기능을 갖춘 유연하고 안전한 전력 분배 기능을 제공한다.

글│로베르토 카푸토(Roberto Caputo), 애플리케이션 매니저
주시 감비노(Giusy Gambino), 마케팅 커뮤니케이션 스페셜리스트
ST마이크로일렉트로닉스





자동차 산업은 전동화(electrification), 첨단 운전자 지원 시스템(Advanced Driver Assistance Systems, ADAS), 자율주행 및 커넥티드 차량(autonomous and connected vehicles)으로의 발전이 빠르게 진행되면서 패러다임의 전환을 겪고 있다. 이러한 혁신은 안전성과 효율성을 유지하면서도 더 높은 수준의 전력을 처리할 수 있는 점점 더 복잡하고 안정적인 전기 시스템을 요구한다.

광범위한 배선 하네스(wiring harnesses)와 중앙 집중식 제어 장치에 의존하는 기존의 중앙 집중식 전력 분배 아키텍처는 복잡하고 무거울 뿐만 아니라 확장성이 제한돼 실현 가능성이 점차 낮아지고 있다. 이러한 과제를 해결하기 위해 자동차 업계는 영역별 전기 아키텍처(Zonal electrical architectures)로 전환하고 있다. 이 접근 방식에서는 차량의 전기 시스템을 관리 가능한 여러 존으로 나누고, 각 구역이 차량의 특정 하위 시스템이나 영역에 대한 전력 공급을 책임진다. 

이러한 세분화를 통해 배선 구조가 단순해지고, 무게가 줄며, 유지보수가 쉬워지고, 결함 발생 시 해당 부분만 빠르게 격리할 수 있다. 하지만 존 아키텍처는 엄격한 자동차 표준에 따라 유연하고 안전하며 효율적으로 작동할 수 있는 혁신적 전력 분배 부품이 필요하다.

존 아키텍처의 전력 레일 스위치

존 아키텍처의 핵심 요소 중 하나는 다수의 부하 라인에 전력을 분배하기 위해서 제어 가능한 노드 역할을 하는 전력 레일 스위치(Power Rail Switch, PRS)다. PRS는 동적 전력 라우팅과 결함 관리 시나리오를 처리하기 위해 양방향 전류 흐름을 지원해야 한다. 또한, 결함을 신속하게 격리하고 전반적인 시스템 안정성을 유지하는 강력한 보호 메커니즘을 제공해야 한다. 

ST마이크로일렉트로닉스(STMicroelectronics, 이하 ST)의 STi²Fuse 스마트 퓨즈는 이러한 까다로운 요구사항을 충족하도록 설계됐다. 첨단 하드웨어 및 소프트웨어 기능을 통합하여 정밀한 제어, 실시간 진단, 신속한 결함 대응을 지원한다. 

여기서 설명하는 PRS 솔루션은 백투백(back-to-back, B2B)으로 구성된 4개의 STi²Fuse 디바이스를 활용해 48V에서 최대 150A의 전류로 두 가지 다른 경로를 처리할 수 있는 양방향 전력 스위치를 구성한다.

이 B2B MOSFET 구성은 OFF 상태에서는 대칭 전압 차단이 가능하며, ON 상태에서는 양방향 전류 흐름을 지원한다. 이로써 이상적인 양방향 전력 스위치(Bidirectional Power Switch, BPS)의 동작을 효과적으로 재현한다. 

1. 양방향 전력 스위치(BPS) 개념

BPS는 ON 상태에서 양방향으로 전류를 전달하고, OFF 상태에서는 양방향으로 전류를 차단할 수 있는 액티브 스위치다(그림 1). 

BPS를 이상적으로 구현한 상황에서 두 개의 라인(라인 L과 라인 R)은 상호 교체 가능한 입력 단자와 출력 단자다. ON 상태와 OFF 상태의 BPS 특성 다이어그램은 각각 그림 2와 3에서 확인할 수 있다.
공통 드레인이 있는 두 개의 N 채널 MOSFET에 대한 B2B 구성을 사용하여 BPS를 만들 수 있다(그림 4).
이 구성은 BPS와 유사한 대칭적인 OFF 상태 차단 특성을 제공한다. 드라이버 회로로 게이트 G1과 G2를 제어하면, 그림 5와 같이 제어된 양방향 라인을 만들 수 있다.
 

게이트 드라이버는 정밀한 스위칭 및 보호 제어를 보장하므로 B2B 구성은 자동차 전력 분배 애플리케이션에 적합하다.

2. 전력 레일 스위치(PRS) 구현

PRS 구성은 그림 6과 같이 공통 노드에 연결된 두 개의 양방향 라인을 사용하고 STi²Fuse 컨트롤러 VNF1248F로 MOSFET 게이트를 구동하여 구현했다.
 

4개의 VNF1248F 디바이스는 게이트 신호와 보호 메커니즘을 관리하여 다음과 같은 결함 조건에서 안전한 작동을 보장한다.

• 비정상적 전류 이벤트를 감지하는 과전류(Overcurrent, OVC) 및 하드 단락(Hard Short-Circuit, HSC) 보호 기능
• 퓨즈 기능 에뮬레이션을 위한 전류 대 시간 래치오프 보호 기능, 시리얼 주변장치 인터페이스(SPI)를 통한 설정 가능
• 열 관리를 통한 외부 MOSFET 과열 셧다운 활성화

실험 결과

측정은 다음 3개의 스택 레이어로 구성된 하드웨어 설정을 사용하여 수행했다.

• 특정 펌웨어로 프로그래밍한 마이크로컨트롤러 보드
• STi²Fuse 컨트롤러를 장착한 드라이버 보드
• MOSFET을 포함하는 전력 보드

그래픽 사용자 인터페이스(GUI)를 사용하여 4개의 VNF1248F 컨트롤러를 프로그래밍하고 실시간 진단 피드백을 제공했다.
드라이버 보드는 그림 7에서 볼 수 있다.
 

양쪽 레일 라인에서 단락이 발생하면 VNF1248F 디바이스가 부하를 보호하는 역할을 한다. 이러한 디바이스의 반응 시간은 과전류 수준에 반비례하며, 응답 시간은 스마트 퓨즈 내에 구성된 I²t 곡선을 따른다. 

실험 데이터는 표 1에 요약되어 있다.

I²t 보호 테스트 결과, 고전류 결함(최대 85A)에 대해 10마이크로초(µs)의 빠른 반응 시간을 보이며, 전반적인 시스템 안정성을 유지하면서도 결함 라인을 신속하게 분리하는 PRS의 기능을 확인할 수 있다.

하나의 레일 라인(L2)에서만 단락이 발생할 경우, VNF1248F 디바이스는 결함이 있는 레일을 격리하여 부하를 보호한다. 그림 8에 표시된 것처럼 부하의 기능은 다른 정상 레일 라인(L1)을 통해 유지된다. 

 

테스트 순서는 세 단계로 나뉜다. 

1단계: 정상 작동

• L1 및 L2 레일이 모두 정상적으로 작동한다.
• 회로에 연결된 램프가 ON 상태이며, 전력이 올바르게 흐르고 있음을 나타낸다.
• 스마트 퓨즈 1과 3 모두 게이트가 활성화되어 전류가 흐르도록 한다. 

2단계: L2에서 하드 단락 발생

• L2가 갑자기 접지로 단락되었다(하드 단락).
• 스마트 퓨즈 3은 결함을 감지하고 래치하여 게이트를 LOW로 강제 전환해 전류 흐름을 차단하고 회로를 보호한다.

3단계: 결함 격리

• L2는 스마트 퓨즈 3에 의해 개방(분리)되어 단락을 효과적으로 차단한다.
• 시스템의 다른 부분은 계속 보호 상태로 작동한다.
• 램프는 여전히 ON 상태이며 정상 레일(L1)에 의해 전력이 공급되어 시스템의 내결함성 및 선택적 보호 기능을 입증한다.

L2에서의 하드 단락 이벤트 동안 측정된 전압 및 전류 파형은 그림 9에서 볼 수 있다.
 

L2에 결함이 발생하더라도 정상 레일(L1)의 전압과 전류는 안정적으로 유지되므로 부하에 지속적으로 전력이 공급된다(램프는 ON 상태 유지). 이는 양방향 전력 스위치와 스마트 퓨즈 구성이 시스템 작동을 유지하고 고장을 방지하는 데 효과적이라는 것을 보여준다. 

결론

이 글은 자동차 존 아키텍처를 위한 혁신적인 전력 분배 솔루션을 제시하고 있으며, 이는 ST의 STi²Fuse 스마트 퓨즈와 B2B MOSFET 구성을 결합해 양방향 전력 레일 스위치(PRS)를 구현한다. PRS는 대칭 전압 차단 및 양방향 전류 흐름 기능을 갖춘 유연하고 안전한 전력 분배 기능을 제공한다. 
실험 결과, 10마이크로초에 달하는 빠른 결함 감지 및 격리 시간으로 강력한 부하 보호와 시스템 안정성을 보장한다. 이 솔루션은 현대 자동차 전기 시스템(electrical systems)의 변화하는 요구사항을 효과적으로 충족하며, 차세대 존 아키텍처에 필요한 향상된 신뢰성, 확장성, 안전성을 제공한다.


참고자료

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[1] VNF1248F datasheet, High-Side Switch Controller with Intelligent Fuse Protection for 12 V, 24 V and 48 V Automotive Applications, Aug. 2025.
[2] H. Jang, C. Park, S. Goh, S. Park, Design of a Hybrid In-Vehicle Network Architecture Combining Zonal and Domain Architectures for Future Vehicles, 2023 IEEE 6th International Conference on Knowledge Innovation and Invention (ICKII), 11-13 Aug. 2023.
[3] H. Askaripoor, M. Hashemi Farzaneh, A. Knoll, E/E Architecture Synthesis: Challenges and Technologies, Electronics 2022, 11, 518.
[4] M. Popa, O. Luca, Overcurrent Protection for Auxiliary Loads in Electric Vehicles with E-Fuse, 2022 IEEE 20th International Power Electronics and Motion Control Conference (PEMC), 25-28 Sep. 2022.

AEM(오토모티브일렉트로닉스매거진)

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