게이트 드라이버 전력 문제를 극복하여 EV 전력 설계 단순화

EV의 전력 변환 시스템은 하프 브리지 구성을 따릅니다. 이 기사에서는 게이트 드라이버의 고전압 측(출력 스테이지)에 대한 IGBT 하프 브리지 설계를 살펴봅니다.

전기차는 전원에 관한 것입니다. 대용량 배터리 팩은 고전압과 전류를 통해 다양한 전력 변환 시스템에 전력을 공급하고, 메인 DC-DC 컨버터는 차량의 저전압 시스템에 전력을 공급합니다. 트랙션 인버터는 바퀴에 기계적 동력을 전달합니다. 마지막으로 배터리 충전 시스템은 배터리에 전원을 공급하여 전체 프로세스를 다시 시작합니다. 각 시스템은 전력을 한 형태에서 다른 형태로 변환합니다.

하프 브리지 구성

이러한 시스템의 중심에는 오늘날 전력 변환 시스템의 핵심 빌딩 블록 중 하나인 하프 브리지 구성이 있습니다. 이 구성에서 하이사이드 스위치와 로우사이드 스위치는 고전압 포지티브 레일과 네거티브 레일 사이의 부하 연결을 빠르게 토글합니다. 이러한 스위치의 게이트를 구동하는 것은 가능한 한 이상적인 스위치처럼 동작하도록 하여 효율성을 극대화하는 데 필수적입니다. 전력이 게이트 드라이버에서 스위칭 장치로 흐르는 방식을 이해함으로써 게이트 드라이버 전력은 간소화된 보드 레이아웃, 비용 절감 및 향후 설계에서 쉽게 재사용할 수 있도록 설계할 수 있습니다.

EV 시스템은 종종 고전압 포지티브 및 네거티브 레일을 DC Link+ 및 DC Link–라고 합니다. 그림 1은 IGBT 장치로 만든 하프 브리지 회로와 탄화규소(SiC) FET를 사용하여 만든 하프 브리지 회로를 보여줍니다. IGBT를 켜려면 게이트에서 에미터(VGE)까지의 전압이 특정 임계값 이상으로 상승해야 합니다.

그림 1. 절연 게이트 드라이버 및 IGBT 스위칭 장치 및 SiC FET 스위칭 장치가 있는 하프 브리지

마찬가지로 SiC FET의 경우 이 전압이 게이트에서 소스(VGS)로 나타납니다. 단순화를 위해 이 기사의 나머지 부분에서는 IGBT 하프 브리지 설계를 참조합니다. 그러나 논의된 원칙은 SiC FET 설계에도 적용됩니다. 그림 1은 또한 절연 게이트 드라이버를 보여줍니다. 많은 EV 시스템과 관련된 고전압으로 인해 저전압 시스템 컨트롤러를 고전압 전력 스테이지에서 분리하기 위해 절연이 필요한 경우가 많습니다. 절연 게이트 드라이버는 이 두 영역을 연결하여 시스템 컨트롤러가 전력 스테이지의 IGBT 또는 SiC FET를 제어할 수 있도록 합니다. 다시 한 번, 간단하게 하기 위해 이 기사의 나머지 부분에서는 게이트 드라이버의 고전압 측(출력 단계)만 언급합니다.

IGBT를 켜려면 게이트 드라이버가 게이트 전압을 VGE 임계값 이상으로 올린 다음 게이트를 충전하고 IGBT를 완전히 켜기에 충분한 전류를 제공해야 합니다. DC Link에 연결된 로우 사이드 게이트 드라이버의 경우 이것은 매우 간단합니다. 그림 1에서 볼 수 있듯이 게이트 드라이버의 출력단은 접지로 DC Link에 연결되고 출력단의 VDD에 대한 "Power Domain 2"의 양극 레일입니다. 그런 다음 게이트를 VDD로 당겨 로우 사이드 장치를 켭니다. 이것은 VDD가 IGBT의 이미터에 연결된 DC 링크를 참조하기 때문에 작동합니다. 따라서 양의 VGE가 생성됩니다. 하이사이드 게이트 드라이버의 경우 상황이 그리 간단하지 않습니다.

양의 VGE를 생성하려면 하이사이드 게이트 드라이버의 접지가 하이사이드 IGBT의 이미터에 연결되어야 합니다. 이 연결이 없으면 게이트 드라이버는 기본적으로 하이사이드 IGBT의 이미터에 대해 부동 상태이며 게이트를 구동할 수 없습니다. 이것은 또한 하이사이드 게이트 드라이버가 별도의 전력 도메인에 있어야 함을 의미합니다. 로우 사이드 게이트 드라이버와 동일한 전력 도메인에 연결되면 하이 사이드 IGBT의 이미터가 DC 링크에 연결되어 하프 브리지 설정이 중단됩니다. 따라서, 특히 다중 하프 브리지 회로가 있는 시스템에서 게이트 드라이버 전력 도메인의 아키텍처는 시스템 복잡성에 엄청난 영향을 미칩니다.

여러 하프 브리지 구성이 있는 변환기 토폴로지

많은 복잡한 컨버터 토폴로지에는 둘 이상의 하프 브리지 구성이 포함되어 있습니다. 예를 들어, 전기 자동차의 구동계에 사용되는 모터는 일반적으로 각 단계를 켜고 꺼서 동작을 생성하는 3상 모터입니다. 트랙션 인버터는 3개의 하프 브리지 회로를 사용하여 모터의 각 위상에 전력을 공급합니다. 6개의 전원 장치와 게이트 드라이버를 사용하여 게이트 드라이버 전원 분배를 신중하게 계획하면 성능에 큰 영향을 미칩니다. 3상 인버터는 또한 하나 또는 두 개의 하프 브리지 회로만 사용하는 다른 시스템과도 관련된 다양한 배전 구성에 대한 절충점을 보여줍니다.

3상 인버터에서 모든 로우사이드 장치는 이미 터에 대한 공통 DC 링크 연결을 공유합니다. 따라서 로우사이드 게이트 드라이버는 모두 공통 전력 도메인을 공유할 수 있습니다. 불행히도 하이사이드 게이트 드라이버는 시스템의 다른 위상에 연결된 이미터를 가지고 있으므로 그림 2와 같이 3개의 개별 전력 도메인이 필요합니다.

그림 2. 단일 DC-DC 컨버터가 있는 3상 시스템

로우사이드 드라이버를 단일 전력 도메인에 연결한 다음 단일 DC-DC 컨버터를 사용하여 4개의 전력 레일을 모두 생성하는 것(그림 2 참조)은 이 문제에 대한 일반적인 솔루션입니다. 그러나 이 접근 방식은 종종 복잡한 보드 레이아웃과 긴 PCB 트레이스로 이어져 고주파 시스템에서 EMI 문제를 일으킬 수 있습니다. 단일 DC-DC 컨트롤러를 사용할 때 4개의 출력 레일 모두에서 엄격한 전압 조정을 달성하는 것도 어렵고, 결국 공유 변압기를 통해 하이 사이드 커플링에서 로우 사이드로 노이즈가 발생할 수 있습니다. 이것은 고주파수 SiC 설계에서 특히 문제가 됩니다. 다른 접근 방식은 DC-DC 컨버터를 여러 개의 독립적인 DC-DC 컨버터로 나누는 것입니다.

DC-DC 컨버터를 여러 개의 독립적인 DC-DC 컨버터로 분할하면 일반적으로 PCB 레이아웃이 단순화되고 트레이스 길이가 줄어들며 각 출력 레일에 명확한 조정이 제공됩니다. 또한 전력 영역 간의 잡음을 크게 줄이고 SiC 기반 시스템이 높은 스위칭 주파수와 최대 효율을 달성할 수 있도록 합니다. 또한 독립적인 DC-DC 컨버터 설계는 풀 브리지 시스템과 같이 더 적은 수의 스위치로 다른 하프 브리지 구성에서 재사용할 수 있습니다.

DC-DC 컨트롤러를 게이트 드라이버에 통합

6개의 독립적인 DC-DC 컨버터(각 절연 게이트 드라이버에 하나씩)를 사용하는 대신 시스템은 일반적으로 비용을 줄이기 위해 4개의 컨버터로 분할됩니다. 그림 3에서 볼 수 있듯이 Silicon Labs Si828x와 같은 일부 게이트 드라이버는 DC-DC 컨트롤러를 통합하여 비용과 보드 공간을 더욱 절감하고 통합 DC-DC 컨트롤러가 있거나 없는 동일한 게이트 드라이버를 제공합니다. 대부분의 경우 이 구성은 복잡성, 비용 및 성능 간에 적절한 균형을 유지합니다.

그림 3. 통합 DC-DC 컨트롤러 및 4개의 독립적인 전원 도메인이 있는 게이트 드라이버를 사용하는 3상 시스템

전기 자동차와 전기 자동차가 의존하는 전력 변환 시스템은 계속 존재합니다. 더 높은 효율과 더 긴 범위에 대한 요구가 계속 증가함에 따라 전력 시스템은 더 빠른 스위칭 속도, 더 복잡한 토폴로지 및 더 높은 전압을 달성해야 합니다. 새로운 전원 스위치 장치와 게이트 드라이버 기술의 발전은 하프 브리지 회로의 효율성을 새로운 차원으로 끌어올릴 것입니다. 그러나 하프 브리지 회로가 발전하더라도 전력 도메인 아키텍처는 앞으로 몇 년 동안 중요한 설계 고려 사항으로 남아 있을 것입니다.

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