현재 신에너지 차량으로 대표되는 새로운 차량이 기존의 연료 차량을 빠르게 대체하고 있다. 신에너지 차량은 더 많은 사람의 선택을 받고 있지만, 이들 차량은 여전히 소비자 경험 측면에서 문제가 있다. 하나는 충전의 불편함 또는 느린 충전 속도이고, 다른 하나는 주행거리에 대한 불안감이다.
신에너지 차량의 미래 시장 확대를 위해서는 전력화 효율성의 관점에서 출발해야 한다. 이러한 관점에서 현재 중요한 추세는 800V 전기 아키텍처 + SiC(실리콘카바이드) 전력 소자를 사용하는 것이며, 이를 위해서는 절연 및 드라이버 기술이 필수다.
차량 전기화의 새로운 트렌드
차량 전기화 트렌드는 먼저 충전 전압을 높이고 충전 전류를 일정하게 유지하는 조건에서 충전 전력을 증가시키는 고전압 아키텍처를 개발해 5분의 충전으로 200km 주행 목표를 달성하는 것이다. 현재 중국 국내외의 일부 차종은 슈퍼 충전 파일을 사용하고 있으며, 800V 버스 전압도 많은 차종에 적용돼 양산되는 추세다.
시장 조사에 따르면, 2025년까지 800V 고전압 아키텍처를 적용한 신에너지 차량의 판매량은 약 100만 대에 도달하며, 3년 동안의 연평균 성장률(CAGR)은 270%에 이를 것으로 예상되고 있다. 또한, 2025년에는 800V 아키텍처를 적용한 신에너지 차량의 전 세계 판매량이 200만 대에 달할 전망이다.
두 번째 추세는 고전압 SiC 전력 장치를 사용하는 것이다. 3세대 반도체 장치는 고전압, 낮은 온·오프 손실, 작은 크기 및 기타 여러 이점을 갖추고 있어, 전기 구동 효율을 개선하고 전기 구동 중량을 최적화하며 범위를 10~15% 증가시키는 데 도움이 된다는 장점이 있다.
위의 두 가지 트렌드를 위해서는 절연 IC 및 드라이버 IC에 대한 새롭고 더 높은 사양이 요구된다. 먼저, 800V 고전압 플랫폼의 배터리, 모터 및 전기 제어 시스템(OBC, DC-DC 및 BMS 포함)과 공기 압축기, PTC 및 전기 드라이버의 전압 수준이 증가한다.
신에너지 차량의 절연 및 드라이버 기술
우선, 신에너지 차량의 절연은 400~800V 배터리 전압에서 개인 및 장비 안전을 보호하기 위한 안전 인증 요구를 기반으로 하고 있으며, 프로세서 및 기타 약한 전류 장치 역시 고전압 측에서 전기 절연을 위한 절연 칩이 필요하다.
두 번째는 레벨 변환 기능을 구현하기 위해 절연 장치를 사용해야 하는 공통 접지에 대한 요구다. 그리고 세 번째는 더 높은 CMTI(공통 모드 과도 응답 내성)를 달성하고, 전력 튜브 오픈 오류를 초래하는 큰 노이즈 간섭을 방지하기 위한 높은 노이즈 내성 요건이다. 특히 SiC를 적용하면 스위칭 주파수가 상승해 상대적으로 큰 dv/dt 노이즈가 발생할 수 있다.
연면 거리(Creepage)는 플래시오버 또는 고장(마킹)을 생성하기 위한 칩 패키징 표면의 거리를 나타내는 안전 규정 준수 요건 중 하나이다. 신에너지 차량의 고전압 배터리, 모터 및 전기 제어 시스템의 공통 연면 거리는 8mm의 절연 장치다. 배터리, 모터 및 전기 제어 시스템을 800V 전압으로 업그레이드하면 연면 거리도 증가한다.
또한, 피크 출력 전류가 크면 파워 튜브의 빠른 개폐 요건을 충족하기 위해 더 큰 전류로 스위치 튜브를 켜야 한다. 신에너지 차량은 구동을 위해 전기 공기 압축기에 의존하며, 메인 모터 드라이버와 PTC도 고전압 전기 절연이 요구된다.
현재 업계에는 몇 가지 주류 절연 기술이 있는데, NOVOSENSE는 커패시턴스 커플러(Capacitance coupler)를 기반으로 하는 정전 용량성 절연 기술을 채택하고 있다. 커패시터 절연 칩에서 절연 커패시터는 두 개의 개별 베어 칩에 위치한다. NOVOSENSE는 전기적 절연을 위해 뛰어난 절연 기술을 채택하고 있으므로 두 개의 정전 용량 플레이트가 직렬 연결된 개선된 아키텍처에서 절연을 달성한다.
이들 사이에는 절연 강도가 높은 절연 매질의 일종인 이산화규소가 절연 매질로 사용된다. 각각의 미크론 절연의 내전압은 400V 이상에 이를 수 있으며, 이는 광 커플러에서 사용하는 절연 매질(에폭시 수지)의 5~6배 수준이다.
이론적으로 두께가 30미크론인 절연 그리드는 10kV 이상의 절연 전압에 도달할 수 있다. 측정된 60초 내전압도 12kV 수준에 도달할 수 있다. 또한, 채널당 커패시턴스 절연 차동 전송 아키텍처도 공통 모드 노이즈 억제를 개선하는 데 도움이 된다.
공통 모드 억제를 위해서는 변조가 필요하다. 즉, 입력 신호는 변조를 통해 커패시터 또는 기타 매체로 전송된다. 일반적인 접근 방식은 대개 입력 신호를 400MB 이상의 반송파로 변조한 다음 커패시터 간에 전송하는 OOK 인코딩을 사용하는 것이다.
특허받은 Adaptive OOK 코딩 체계는 NOVOSENSE의 최적화를 거쳐 공통 모드 노이즈에 대한 절연체의 내성 기능을 더욱 향상시킨다. 다른 두 가지 접근 방식에 비해 OOK 코딩 변조는 공통 모드 억제에 강한 내성을 갖는다는 이점이 있다.
NOVOSENSE 제품은 12kVrms의 내전압 절연 기능, 12kV 이상의 EMC 성능 및 서지, 10kV 이상의 ESD 양면 기능을 특징으로 한다. 이러한 제품은 업계에서 UL/CUL/VDE/CQC 및 기타 주류 안전 준수 인증을 획득했다.
NOVOSENSE는 절연 샘플러, 절연 드라이버, 일부 인터페이스 관련 제품 및 자동차 등급 절연 장치를 포함한 디지털 절연 칩과 절연 전원 공급 장치를 제공하고 있으며, 이러한 제품은 현재 대량으로 생산되고 있다.
3세대 반도체는 절연 장치에 대한 요구 사항이 더 높다. 스위칭 주파수는 실리콘 기반 10kHz에서 SiC 기반 100kHz로 증가했으며, 절연 전압은 1,000V 이상으로 증가했다.
또한, 디지털 절연체에 대한 SiC 장치는 100kV/마이크로초 이상의 공통 모드 억제 기능을 가진 더 높은 스위칭 주파수와 더 높은 전송 속도를 요구하는데, NOVOSENSE의 절연 장치는 150kV 또는 200kV에 도달할 수 있다.
차세대 전기 드라이버 개발 플랫폼에서 CMTI, 와이드 그리드 전압 스윙, 큰 피크 출력 전류, 빠른 상승 및 하강 시간, 빠른 단락 보호 및 소프트 셧다운 기능은 적합한 SiC 파워 튜브 드라이버 칩을 선택하는 데 있어 고려해야 할 핵심 지표다.
NOVOSENSE 시스템 및 제품 솔루션
신에너지 차량의 전기 드라이버를 메인 드라이버에 적용하는 데 있어, NOVOSENSE는 NSi6611 및 NSi6651 지능형 보호 강화 절연 드라이버뿐만 아니라 향상된 디지털 절연체 및 향상된 절연 샘플러를 포함한 절연 드라이버를 대량 생산해 왔다.
또한, NOVOSENSE는 드라이버 외에도 상대적으로 높은 시장점유율을 자랑하는 배터리, 모터 및 전기 제어 시스템을 위한 버스 전압 또는 전류 절연 샘플러 NSi1311 및 NSi1300도 제공한다.
NSi82xx는 NOVOSENSE에서 출시한 최초의 자동차 등급 디지털 절연 제품이다. 이 제품은 1~6개의 채널 방식을 다루고 있으며, 연면 거리가 15mm인 800V 애플리케이션과 일치하는 초광폭 본체 절연 장치를 포함해 협폭 본체 8, 광폭 본체 8 및 광폭 본체 16과 같은 다양한 패키지를 채택하고 있다. 또한, CAN용 1042, 1051, 1043과 곧 샘플이 준비될 1145와 같은 일부 인터페이스 제품을 갖추고 있다.
향상된 절연의 주요 이점은 분당 5,000V AC의 내전압으로 작동 전압을 절연한다는 점이다. NSi82xx 향상된 디지털 절연체는 5,000Vrms의 공칭 절연 전압, 절연 오일에서 12kV의 내전압 측정, 그리고 충분한 마진 및 상대적으로 높은 신뢰성을 자랑하는 강력한 제품이다.
20년 이상의 장기간에 걸쳐 절연 그리드 양 끝에 절연 동작 전압이 적용되므로, 절연체의 고장률은 1ppm 미만이어야 한다. 기본 절연인 경우 이러한 요구 사항은 훨씬 낮은데, 이 경우에는 1,000ppm 미만의 고장률이 요구되므로 그 차이는 1,000배에 달한다.
