TI, 새로운 솔리드 스테이트 릴레이 기술로 자동차 및 산업용 시스템의 절연 과제 해결
2022년 06월 04일
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                     TI는 고전압 전원공급장치의 솔루션 크기를 90%까지 줄이고, 차세대 자동차 시스템의 신뢰성을 더욱 높일 수 있는  

                     새로운 솔리드 스테이트 릴레이 절연 포트폴리오를 출시했다.



차세대 자동차 및 산업용 시스템을 위한 새로운 절연과제가 대두되고 있다. 전기 자동차 업계가 400V에서 800V 배터리 시스템으로 전환하면서 고전압 시스템이 보편화되고 있으며, 민감한 전자부품들이 빠르게 동작하는 고전압 부품들과 안전하게 통신하기 위해서는 신뢰할 수 있는 절연 기술이 요구되고 있다. 또한 전력망 인프라, 로보틱스 및 모터 제어를 비롯한 고전압 산업용 시스템에서도 절연 과제는 필수적이다. 


TI는 2006년 업계 최초로 ISO721D SiO2 커패시티브 절연기를 출시하면서 약 25년에 걸쳐 절연 기술 혁신을 선도해 왔다. 특히 절연 배리어 기술에 주력하면서 포트폴리오를 확장해 왔으며, 업계 최고의 신뢰성과 독보적인 절연 기능을 제공하고 있다. 이러한 고전압 시스템을 위한 절연 제조기술을 바탕으로 최근 차량용 절연 드라이버 및 스위치를 포함한 솔리드 스테이트 릴레이(SSR, Solid State Relay) 포트폴리오를 출시했다. 


TI 전원 스위치 제품 매니저인 프리야 타니가이(Priya Thanigai)는 "전기차 비중이 증가하고, 고전압 시스템이 보편화됨에 따라 절연은 시스템 엔지니어들에게 까다로운 설계 과제가 되었다. TI는 이런 시스템 디자이너들의 과제를 해결하기 위해 새로운 솔리드 스테이트 릴레이 절연 포트폴리오를 출시했다. 이를 통해 엔지니어들은 고전압 전원공급장치의 크기와 비용 및 복잡성을 낮추고 차세대 차량 및 산업용 시스템의 안전성을 더욱 높일 수 있게 됐다.”고 밝혔다. 


다음은 프리야 타니가이 매니저와의 인터뷰 내용을 정리한 것이다. 



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                    프리야 타니가이(Priya Thanigai),

                    TI 전원 스위치 제품 매니저 

자동차 및 산업용 애플리케이션이 점차 고전압 분배망으로 전환됨에 따라 절연 문제와 더불어 설계자들이 해결해야 하는 과제들은 어떠한 것들이 있는가?  


시스템의 크기가 소형화될수록 내부 부품도 점점 더 작아지고, 높은 밀도로 탑재되기 때문에 절연이 점점 더 까다로운 설계 과제가 되고 있다. 차세대 전기차가 400V에서 800V 배터리 시스템으로 이행하면서 민감한 전자 부품들이 모터와 같이 빠르게 동작하는 고전압 부품들과 안전하게 통신하기 위해서는 절연 기능이 필요하다. 일반적으로 전기차 배터리 관리 시스템(BMS)과 같이 절연된 고전압 환경에서 신뢰성을 높이기 위해서는 부품이 추가되기 때문에 차량의 크기와 중량, 비용의 증가로 이어진다.

전력망 인프라, 로보틱스, 모터 제어를 포함한 고전압 산업용 시스템 또한 장비를 손상시키거나 사람에게 손상을 입힐 수 있는 고압 서지로부터 보호가 필요하다. 이러한 시스템은 높은 접지 전위 차(GPD, Ground Potential Differences)를 수반하는 인터커넥션으로 파열 접지 루프를 제거하고, 모터 구동 시스템에서 하이 사이드 장치들과 안전하게 통신해야 하며, 공통 모드 트랜션트 시 데이터 무결성을 유지해야 한다. 

기존 전기기계식 릴레이 및 솔리드 스테이트 포토릴레이와 솔리드 스테이트 릴레이의 차별점은 무엇인가?


전기 기계식 릴레이는 수 밀리 초가 걸리는 반면, 새로운 솔리드 스테이트 릴레이는 단일 절연 장벽을 통해 마이크로 초 단위로 부하를 차단하고 연결하므로 고전압 차량용 시스템에서 더 안전하게 동작한다. 이번에 출시된 TPSI3050-Q1 및 TPSI2140-Q1은 기존 전기 기계식 릴레이 및 솔리드 포토릴레이에 비해 솔루션 크기와 비용을 크게 절감할 수 있다. 


TPSI2140-Q1은 3.75kVRMS에 이르는 기본 절연을 제공하며, 솔리드 스테이트 포토릴레이에 비해 4배 이상 높은 TDDB(Time-Dependent Dielectric Breakdown) 신뢰성을 달성할 수 있다. 또한 신호 FET와 저항기를 통합하여 리드 릴레이의 필요성을 없앰으로써 기존 솔리드 스테이트 포토릴레이 솔루션 대비 크기를 50%까지 축소할 수 있다. 이외에도 BQ79631-Q1 같은 배터리 팩 모니터링 디바이스와 결합해서 800V 배터리 관리 시스템에서 솔리드 스테이트 포토릴레이보다 더 빠르고 높은 정확도로 절연 결함을 감지할 수 있으며, 1MΩ 미만의 저항을 사용하고, 기존 포토릴레이 대비 300% 높은 애벌런치 전류를 견딜 수 있어 더 안전하게 사람과 시스템 사이의 상호작용이 가능하다.

단일 절연 장벽을 사용하는 TI의 절연 기술은 다른 절연 기술과 어떠한 차별점이 있는가?


솔리드 스테이트 릴레이는 전원과 신호 전송을 단일 칩으로 통합하여 설계자가 설계 시 최소 3개의 부품을 줄일 수 있는 추가 기능과 유연성을 제공하여 솔루션 크기를 최대 90%까지 축소하고 BOM을 최대 50%까지 낮출 수 있다.

고전압 및 저전압에 각각 사용되는 TPSI3050-Q1 및 TPSI2140-Q1 솔리드 스테이트 릴레이는 각각 어떠한 특장점을 가지고 있으며, 자동차를 비롯해 어떠한 애플리케이션에 적합한가?


TPSI2140-Q1는 고전압 버스 모니터링 및 절연 저항 모니터링을 위해 외부 고전압 저항과 함께 사용하도록 설계되었다. 특히 400V 또는 800V의 전기차와 태양 에너지 패널, 에너지 저장 시스템 및 전기차 충전기와 같은 애플리케이션에 사용될 수 있다. 포토릴레이에 비해 높은 신뢰성으로 고전압 배터리 관리 시스템의 결함을 빠르게 감지하고 안전성을 향상시킬 수 있다. 


새로운 솔리드 스테이트 릴레이 제품군은 고유한 접근 방식을 활용하여 단일 절연 장벽으로 전원과 신호를 하나의 칩으로 전송한다. 이번에 출시된 제품들은 솔리드 스테이트 릴레이에 처음으로 추가된 제품군으로, 용량성 및 유도성 절연 기술의 신뢰성이라는 이점을 활용하고, 단일 장벽으로 전원 및 신호 절연을 모두 통합하고 있다. 이러한 통합 기능을 통해 설계에서 부품 수를 최소 3개 줄이고 경쟁 솔루션 대비 크기를 90%까지 축소하거나 최대 50%까지 비용을 절감할 수 있다.


TI 절연 기술은 더 많은 기능을 통합함으로써 엔지니어들이 설계 복잡성을 줄이고, 전원공급 시스템에서 안전성을 유지하여 800V 배터리로 용이하게 전환하는 것은 물론, 차세대 차량용 시스템 및 산업 분야의 절연 문제를 해결할 수 있도록 지원한다. 


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                               TPSI3050-Q1 및 TPSI2140-Q1 솔리드 스테이트 릴레이는 신뢰성은 높이고, 크기와 비용을 크게 

                               줄일 수 있는 동급 최고의 절연 솔루션이다.


이외에도 최근 출시된 LDO 레귤레이터와 윈도우 비교기, 정밀 전압 레퍼런스를 모두 통합한 강화 절연 비교기 AMC23C12는 경쟁 제품과 어떠한 차별적인 혜택을 제공하며, 어떠한 절연 기술을 사용하고 있는가? 


TI의 새로운 강화 절연 비교기는 절연 양방향 과전류, 과전압, 과열 감지를 위한 업계에서 크기가 가장 작은 솔루션이다. 표준 비교기 기능과 견고한 갈바닉 절연 장벽을 결합함으로써 솔루션 크기를 축소하고 비용을 절감할 수 있다. 


AMC23C12는 넓은 입력 범위의 LDO 레귤레이터와 윈도우 비교기 및 정밀 전압 레퍼런스를 통합하여 솔루션 크기 50%까지 축소할 수 있으며, 3% 미만의 최악의 트립 임계점 측정 정확도로 설계 마진을 낮추고 더 작은 크기의 수동 부품을 사용할 수 있도록 해준다. 또한 400ns 미만의 빠른 응답 시간으로 초고속 과전류 및 과전압 감지가 가능해 시스템 보호 기능을 강화하며, 단일 외부 저항을 통해 트립 임계값 조절이 가능해 설계 전반에 걸쳐 디자인 재사용이 용이하다. 


진선옥 기자 (jadejin@all4chip.com)
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