높은 강압비의 DC/DC 컨버터로 마일드 하이브리드 전원 시스템 개선에 기여

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에너지 절약에 대한 요구와 마일드 하이브리드 카의 보급

현재 사회의 트렌드로서, 지구 온난화 대책이 모든 제품에서 요구되고 있다. 자동차 분야도 예외가 아니다. 각 지역에서 2020년까지의 규제 목표를 제정하고 있으며, 그 중에서도 가장 까다롭다고 할 수 있는 유럽에서는 95g/km를 목표로 하고 있다. 이러한 수치를 실현하기 위해 여러 회사에서 전동화 차량에 대한 개발을 추진하고 있다.

전동화 차량에는 5종류가 있다. 전기만으로 주행하는 pure-EV, 연료 배터리로 주행하는 Fuel Cell EV, 회생 에너지 충전으로 엔진 주행을 서포트하여 전기만으로도 주행이 가능한 스트롱 하이브리드, 가정용 콘센트로 충전이 가능한 Plug-in 하이브리드, 48V의 리튬이온 배터리로 회생 에너지를 충전하여 엔진의 스타트 ㆍ 스톱 및 주행 보조에 사용하는 마일드 하이브리드가 그 5종류에 해당한다. 이 중에서 48V 마일드 하이브리드 대응 자동차는 2024년 710만대의 생산이 예상되고 있다.

그림 1 : 전동화 차량의 생산 대수 예측
그림 1 : 전동화 차량의 생산 대수 예측

자동차를 전동화하면 연비가 향상되는 이유는 무엇일까? 기존의 엔진 자동차의 경우 가솔린 또는 디젤로 엔진을 구동하고, 엔진을 통해 납 배터리를 충전하여 에어컨 및 라이트 등의 전기계를 구동한다. 따라서, 전기계를 사용하면 할수록 연비가 악화된다. 반면에, 전동식 차량의 경우 브레이크 등에서 발생하는 회생 에너지를 리튬이온 배터리에 충전하여, 에어컨 및 라이트 등의 전기계에 사용함으로써, 엔진의 발전량을 삭감할 수 있으므로 연비가 향상되는 것이다.

전동화 차량에서 스트롱 하이브리드 카 및 Plug-in 하이브리드 카는 CO2 삭감 효과가 크지만, 추가 비용이 크게 발생하기 때문에 소형차에는 탑재가 어렵다. 또한, 기존의 12V 시스템에서는 CO2 삭감 효과에도 한계가 있으므로, 저비용으로 높은 CO2 삭감 효과가 기대되는 48V의 리튬이온 배터리를 사용한 마일드 하이브리드 시스템이 주목을 받고 있다.

마일드 하이브리드에 요구되는 전원 IC

마일드 하이브리드 카와 기존 시스템의 큰 차이점은 배터리의 전원전압이다. 기존 시스템에서는 12V였던 전원전압이 마일드 하이브리드 카의 경우 4배 높은 48V이다. 그러나, 사용하는 전자 컨트롤 유닛의 전압은 변하지 않으므로 입출력 전압차가 커지게 된다.

그림 2 : 48V 시스템에 필요한 전원의 차이
그림 2 : 48V 시스템에 필요한 전원의 차이

따라서, 보다 높은 입력전압에서 낮은 출력전압을 생성하기 위해 강압비가 높은 DC/DC 컨버터가 요구된다. 또한, 자동차기기용 전원 IC에서는 전파의 간섭을 방지하기 위해, AM 라디오 대역인 0.5MHz~1.7MHz에 영향을 미치지 않도록 2MHz의 스위칭 주파수가 필요하다. 기존에는 전자 컨트롤 유닛에 필요한 전압을 생성하기 위해, 2chip을 탑재하여 48V에서 일단 12V를 생성하고, 생성된 12V에서 다시 5V 및 3.3V를 생성했다. 그러나, 이러한 방법으로는 주변 부품이 2배가 되어 실장 면적이 커진다는 문제가 있다. 주파수를 낮추어 1chip으로 전압을 생성하는 방법도 있지만, 스위칭 주파수가 낮기 때문에 코일이나 콘덴서 등의 주변 부품이 커질뿐만 아니라, 발생하는 주파수가 AM 라디오 주파수에 영향을 미친다는 과제가 있다.

따라서, 마일드 하이브리드에는 48V 입력에서 3.3V를 직접 출력할 수 있고, 스위칭 주파수가 AM 라디오 대역 이상에서 동작 가능한 DC/DC 컨버터가 요구되고 있지만, 이를 실현하기 위해서는 몇 가지 해결해야 할 과제가 있었다.

 

신기술 Nano Pulse Control을 통한 전원의 1chip화

보다 높은 입력전압에서 낮은 출력전압을 높은 주파수로 실현하기 위한 기술 과제로서, 스위칭 펄스 폭을 좁게 할 필요가 있다. DC/DC 컨버터의 스위칭 펄스 폭은, 입력전압 ㆍ 출력전압 ㆍ 스위칭 주파수의 함수로서, 하기 식으로 구할 수 있다.

함수 : t_on=V_OUT/V_IN ÷f

이 식에서도 알 수 있듯이, 입력전압이 높고 출력전압이 낮으며, 주파수가 높을수록 스위칭 펄스 폭은 좁아진다. 따라서 마일드 하이브리드용 전원은 스위칭 펄스 폭을 좁게 하는 기술이 필요하다.

그러나, 펄스 폭을 좁게 하기 위해서는 스위칭 시 발생하는 노이즈의 문제를 해결해야만 한다.

입력전압을 높이면, IC 내부에 포함된 기생 인덕턴스로 인해 스위칭 시의 노이즈 성분이 증가된다. 고주파화의 경우도 마찬가지로, 소자의 기생 용량 및 스위칭 빈도의 증가로 인해 노이즈 성분이 증가한다.

그림 3 : 고내압 ㆍ 고주파화로 인한 노이즈 성분의 증가
그림 3 : 고내압 ㆍ 고주파화로 인한 노이즈 성분의 증가

이러한 스위칭 노이즈가 IC 내부로 유입될 경우, 동작이 불안정해 진다. 기존의 제어 방법으로는 이 노이즈가 IC에 유입되지 않도록 마스크 시간이 필요하다. 또한, 회로를 동작시키기 위해서는 아날로그 회로를 동작시켜야 하므로, 이때 지연시간이 발생하게 된다. 이러한 두가지 요인으로 인해 노이즈 성분이 증가하면 펄스 폭은 두꺼워지게 된다.

이러한 문제를 해결하기 위해, 로옴은 노이즈가 발생하기 전의 정보를 검출하여, 그 정보를 바탕으로 제어를 실행하는 초고속 펄스 제어 회로 및 고내압 BiCDMOS 프로세스 등을 구사한 신기술 「Nano Pulse Control」을 개발했다.

이 기술을 탑재한 기종의 제1탄으로서 「BD9V100MUF-C」를 개발했다. 48V 전원에 요구되는 최대 전압인 60V 입력에서 3.3V 출력을 실행하기 위해 필요한 펄스 폭은 30ns이지만, 실제 IC에서는 부하 변동 및 전원 변동을 고려하여 더욱 좁은 펄스 폭이 필요하다. 「BD9V100MUF-C」는 30ns를 크게 상회하는 9ns의 고속 제어가 가능하여, 그 결과 60V 입력 2.5V 출력이라는 업계 최고 강압비 24:1을 실현했다. 60V 입력에서 2.5V 출력에 필요한 펄스 폭은 20ns이다.

그림 4 : 2.1MHz로 60V에서 직접 강압하여 2.5V 출력 가능
그림 4 : 2.1MHz로 60V에서 직접 강압하여 2.5V 출력 가능

또한, 고속 제어를 실현함으로써, 스위칭 주파수를 2MHz 이상으로 유지함과 동시에 입력전압 16V에서 60V까지 안정적으로 2.5V를 출력할 수 있다.

그림 5 : 폭넓은 입력전압에서, 안정적인 스위칭 주파수
그림 5 : 폭넓은 입력전압에서, 안정적인 스위칭 주파수

이 제품을 사용함으로써 기존의 IC에서는 48V에서 12V를 생성하고, 다시 12V에서 3.3V를 생성하기 위해 2chip이 필요했던 DC/DC 컨버터 구성을 1chip으로 직접 강압하여 48V에서 3.3V를 한번에 생성할 수 있다.

이 제품은 자동차기기용 제품이므로, 이상 상태 발생 시 파괴로부터 IC를 보호하는 기능을 탑재하고 있다. 입력전압이 60V로 커지면, 출력 및 스위칭 단자 단락 시 큰 에너지가 발생하기 때문에, 대전류가 흐른 후에 이상을 검출하는 기존의 단락 검출 방법으로는 IC가 파괴되고 만다. 따라서, 대전류가 흐르기 전, 사전에 이상을 검출하여 IC를 보호하는 새로운 방식의 보호 검출 기술을 개발하여, 출력이 이상 상태가 되어도 IC를 파괴로부터 보호할 수 있다.

또한, 솔더 융착성과 시인성이 우수한 웨터블 플랭크 (wettable flank) 패키지를 사용함으로써, 실장 신뢰성도 향상된다.

산업기기 분야로의 전개

48V 리튬이온 배터리는 자동차기기 분야 이외에, 건설기기 및 기지국으로 대표되는 산업기기 분야에서도 널리 사용되고 있다. 이러한 분야에 사용되는 마이크로 프로세서의 대부분이 3.3V나 5V이므로 본 제품을 적용할 수 있다. 기존에는 불가능한 고주파 동작을 실현함으로써, 주변 부품의 소형화가 가능하여, 자동차기기와 동일한 전개가 가능하다.

결론

자동차의 CO2 삭감이 중요시됨에 따라, 연비 개선 또한 자동차의 판매 사양으로서 중요시 되고 있다. 48V 리튬이온 배터리를 사용한 마일드 하이브리드는 비용 대비 성능이 우수한 하이브리드 시스템으로서 향후 시장 점유율이 증가할 것으로 예상된다. 본 IC는 이러한 마일드 하이브리드에 사용되는 전원으로서 소형화 및 시스템의 간략화에 크게 기여할 것으로 기대하고 있다. 특히 마일드 하이브리드 도입이 가속화되는 유럽의 자동차 시장에서는 본 IC의 특성이 큰 메리트가 될 것으로 생각하고 있어, 앞으로 적극적인 확판 활동을 펼쳐나갈 예정이다.