텍사스 인스트루먼트(TI)가 시스템 비용을 줄여 전기차의 경제성과 구매력을 높이고 주행 거리를 늘릴 수 있는 TI의 파워트레인 시스템 통합 솔루션을 공개했다.

유럽과 중국의 경우 전기차를 구입할 의향이 있다고 답한 소비자는 각각 60%, 70%로 나타났지만 전기차이 가격과 주행거리가 실구매로 이어지는데 큰 장벽이 되고 있다. 현재 내연엔진 차량과 전기차의 가격 차이는 대략 1,300만원에 이른다. 따라서 TI 측은 다양한 차원에서 파워트레인 시스템을 통합함으로써 시스템 비용을 낮추는 것은 물론이고, 설계를 간소화하고, 기능적으로 안정성과 신뢰성을 높임과 동시에 주행고리를 늘리고, 시스템 효율을 높이고자 새로운 솔루션을 공개하게 되었다고 밝혔다.

파워트레인의 전력 효율성과 크기에 따라 하이브리드 차량 또는 전기차의 성능이 결정된다. 부품 수와 솔루션 크기를 줄이고 설계를 간소화해서 자동차 애플리케이션을 만들 수 있다면 무게와 비용을 모두 줄이면서 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 특히, 전기차 업계는 가장 작은 공간에서 가장 높은 효율성을 달성하기 위해 통합 솔루션을 지향하고 있고 이를 파워트레인 시스템 영역으로 확장하고 있다.

하이브리드 차량 또는 전기차의 온보드 차저(OBC)는 더 높은 전원 용량을 수용하기 위해 더 높은 전원 정격을 수용해야 할 뿐 아니라 차량의 중량을 줄이고 충전당 비용을 절약하기 위해 더 높은 전력 밀도와 효율성을 갖추어야 한다. 하이브리드 차량 또는 전기차의 설계를 파워트레인 아키텍처와 통합하려는 이유다. 파워트레인 통합은 온보드 차저, 고전압 DC/DC, 인버터, 전원 분배 유닛(PDU), 배터리 관리 시스템 같은 애플리케이션들을 결합하여 시스템 차원에서 이루어진다.

특히 전기차 온보드 충전 애플리케이션을 위해 새로운 와이드 밴드갭 솔루션이 시장에서 획기적인 성능으로 각광받고 있다. 전원 스위치에 SiC 및 GaN을 사용하는 와이드 밴드갭 반도체와 같은 첨단 고전압 장치의 통합을 통해 하이브리드 차량과 전기차는 파워 실리콘 MOSFET(금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터) 및 IGBT(절연 게이트 양극성 트랜지스터) 같은 기존의 실리콘 기반 전원 스위치보다 더 높은 효율성을 달성할 수 있다.

TI의 혁신적인 차량용 파워 스테이지 컴포넌트를 탑재한 지능형 전력 관리 시스템은 차량 배터리의 성능과 수명을 최적화하면서, 배터리 안전을 확인하기 위해 필요한 작업을 수행하는 데 뛰어나다. 특히, GaN, C2000 실시간 MCU, 절연형 게이트 드라이버, 온도 센서를 사용해서 업계 최고 전력 밀도와 98% 이상의 시스템 효율을 달성할 뿐만 아니라 열 성능 최적화를 통한 시스템 신뢰성도 향상시킨다.

특히 더 적은 수의 부품을 사용하고 자기 소자와 냉각 시스템까지 통합함으로써 시스템 차원에서 비용을 절감할 수 있다. DC/DC 컨버터, OBC, 인버터로 2개 또는 3개의 각기 개별적인 전원 아키텍처(혹은 박스)를 사용해야 하는 것이 아니라, 이러한 시스템들을 단일의 컴팩트한 통합형 전원 스테이지 아키텍처로 만들 수 있다. 차량용 GaN FET을 사용해서 기존의 실리콘 또는 SiC 솔루션에 비해서 전기차 온보드 차저 및 DC/DC 컨버터의 크기를 50%까지 축소할 수 있다. 또한, 절연형 게이트 드라이버는 50가지 이상의 안전 메커니즘을 통합함으로써 BOM을 줄인다.

주요 특징을 정리하면 다음과 같다. C2000 MCU는 925 MIPS 처리 속도와 PWM 기능을 활용해 시스템 효율 향상시키며, 30ns 응답 시간으로 결함 빠르게 감지한다. GaN 및 SiC 디바이스를 통한 빠른 실시간 제어 루프가 가능하다.

차량용 GaN FET는 자기 소자의 크기를 59% 줄임으로써 전력밀도가 두 배 향상되며, 히트 싱크를 줄이고 보호 기능을 통합함으로써 열설계 간소화가 가능하다. 크기가 50% 축소된 온보드 차저+DC/DC 설계가 가능하다.

절연 게이트 드라이버는 15-A 피크 구동 강도로 전력 밀도와 효율이 향상되며, 150V/ns 이상의 CMTI로 견고한 통신 유지가 가능하다. 50가지 이상의 안전 메커니즘 통합으로 BOMdl 축소된다.

온도 센서는 최대 175도에 이르기까지 정확도 높은 온도 리딩으로 효율을 극대화한다. 미세한 드리프트, CRC, 온도 스파이크 검출로 신뢰성이 향상되며, 초소형화된 리드형 SPI 온도 센서를 사용하여 크기를 축소한다.

이들은 TÜV SÜD에서 인증한 기능적 안전성 개발 프로세스를 적용해서 개발되었으며, ASIL D 등급의 안전 컨셉트에 대해서 외부 평가기관으로부터 검증된 레퍼런스 디자인을 제공한다. 이 레퍼런스 디자인은 단일의 TMS320F28388D 실시간 C2000 MCU를 기반으로 하이브리드 차량, 전기차의 트랙션 인버터와 양방향 DC-DC 컨버터의 제어를 구현한다

박서민 TI 오토모티브 사업 부문 국내 영업 상무는 “전기차 같은 고전압 환경에서 사람을 보호하고 차량 시스템으로 손상을 방지하기 위해서 기능적 안전성이 중요한데, TI의 차량용 통합 파워 트레인은 가장 높은 수준의 차량 기능적 안전성 요건으로서 고객사가 ASIL D 인증을 수월하게 충족하면서 차량을 설계할 수 있도록 돕고 있다”며, “뿐만 아니라, 차량용 GaN FET을 사용해서 기존의 실리콘 또는 SiC 솔루션에 비해서 전기차 온보드 차저 및 DC/DC 컨버터의 크기를 50%까지 축소할 수 있어 비용과 크기의 절감이 가능하다는 이점이 있다.고 밝혔다.