패키징이 전력 설계 혁신을 이끄는 차세대 핵심 기술인 이유

오늘날의 자동차는 불과 10년 전과 비교할 때 근본적으로 다른 경험을 제공합니다. 운전자는 전기차에서 더 부드러운 가속, 첨단 운전자 보조 시스템을 통해 향상된 안전성, 매끄럽게 진행되는 OTA(Over The Air) 기능 업데이트 및 더 긴 배터리 주행 가능 범위 등의 많은 장점을 얻을 수 있습니다.

이러한 각각의 발전 사항은 회로 보드에 전기 부품이 추가됨으로써 가능합니다. 하지만 이를 위해 엔지니어는 매우 제한된 공간에 더 많은 전원 장치, 지능 요소 및 기능을 통합해야 합니다.

이 과제는 자동차 업계만의 문제가 아닙니다. 데이터센터, 산업용 시스템 및 소비자용 전자 기기 분야의 설계자도 동일한 근본적 문제를 마주하고 있습니다. 바로 크기 증가 없이 더 많은 기능을 제공하는 전원 시스템을 만드는 것입니다. 바로 이를 위해 더 스마트한 전원 모듈 패키징이 필요합니다.

현대 전원 시스템에서 패키징이 중요한 이유

패키징은 반도체 칩을 주변 전원 회로에 연결하여 열을 관리하고, 전기적 작동을 제어하고, 민감한 전자 기기를 보호하는 것을 말합니다. 패키징은 잡음 또는 불량한 전기 신호 품질 등의 악영향 없이 전기적 성능을 유지하는 데 있어서 핵심적인 역할을 합니다.

전력 수준이 증가하고 시스템에 더 많은 지능 요소가 포함됨에 따라 패키징의 역할은 점점 더 중요해지고 있습니다. 고전압은 저전압 제어 회로(시스템 성능을 모니터링하고 제어하는 민감한 전자 장치)와 함께 안전하게 작동해야 합니다. 열은 비좁은 공간 내에서 효율적으로 발산되어야 합니다. 그리고 각 부품은 전기 및 열 응력이 지속되는 상황에서 안정적으로 제 성능을 발휘해야 합니다.

이 모두를 달성하기 위해 설계 엔지니어는 전원 모듈로 시선을 돌리고 있습니다. 전원 모듈은 전자 설계에서 플러그 앤 플레이 방식의 구성 요소입니다. 전원 모듈은 여러 전자 부품을 하나의 패키지로 통합합니다.

카난 사운다라판디안 (Kannan Soundarapandian) TI 고전압 제품 사업부 부사장 겸 총괄 매니저는 “전원 모듈이 미래”라며, “전원 모듈은 기존의 변압기와 보드 위의 모든 소자를 하나의 작은 패키지로 축소합니다. 엔지니어는 하나의 보드에 여러 부품을 장착하는 대신 하나의 전원 모듈을 만들어 시장 출시를 앞당길 수 있습니다.”라고 말합니다.

TI 엔지니어는 설계에 전원 모듈을 구현하기 위해 에너지 흐름, 방열 및 수명 기간 동안의 모듈 작동을 정의하는 장치 패키징을 주목하고 있습니다. 더 높은 전력 레벨과 더 빠른 성능을 지원하기 위해 전압이 증가함에 따라 고전압 부품과 저전압 제어 회로를 안전하게 절연하는 것이 필수적입니다. 

전원 모듈이 시스템을 더 안전하게 만드는 방법

더 뛰어난 성능과 효율을 제공하기 위해 고전압으로 작동하는 동시에 전원 시스템은 또한 시스템 동작을 모니터링하고 제어하는 저전압 제어 회로를 보호해야 합니다. 절연이라고도 하는 이 보호 조치는 패키징에 구현되어 에너지가 안전하게 이동하도록 하고 위험한 전기 간섭을 방지합니다.

카난은 “패키징은 절대적인 핵심입니다.”라고 말합니다. “절연 모듈에서 패키징은 소형화된 부품이 설계된 대로 작동하도록 하는 데 필수적인 제어 환경을 제공합니다. 이러한 시스템이 수명 기간 동안 견뎌야 하는 전기장 강도를 고려할 때 이러한 환경이 완벽하게 제어되지 않는다면 고장이 발생할 것입니다.”

최신 전원 모듈은 서로 수 밀리미터 이내의 간격에 높은 강도의 전기장을 수용하면서도 열적 안정성과 장기적 신뢰성을 유지해야 합니다. 하지만 기존의 절연 방식에서는 더 큰 물리적 간격과 별도의 절연 부품이 필요하므로 솔루션 크기가 증가하고 통합이 제한됩니다.

TI의 IsoShield™ 통합 패키징 기술은 하나의 작은 모듈 구조로 절연과 전력 전송 기능을 결합합니다. 부피가 큰 개별 부품을 사용하는 대신 IsoShield 기술은 크기를 줄이면서도 장기적 신뢰성을 강화하는 소형 고전압 절연을 구현합니다.

전원 모듈이 더 강력한 시스템을 만드는 방법

회로 보드의 자성 부품도 유사한 제약을 유발합니다. 즉, 상당한 공간을 차지하고 시스템 설계 유연성을 제한합니다.

TI 전원 모듈은 인덕터와 커패시터를 통합하여 효율적인 DC/DC 변환을 달성합니다. 많은 모듈이 인덕터를 패키지 위에 바로 적층하여 매우 작은 폼 팩터를 구현합니다.

TI의 독점 MagPack™ 패키징 기술은 자성 부품을 제조하고 이를 패키지에 직접 임베드함으로써 통합 수준을 한 단계 끌어올립니다.

이러한 장점은 전기차의 더 빠른 충전, 데이터 센터의 인프라 회복력 강화, 그리고 개인용 전자 기기의 기능 향상으로 이어집니다. 더욱 중요한 것은 이 모든 혁신이 크기 증가 없이 기존과 동일한 공간 내에서 실현된다는 점입니다.

이러한 발전은 전원 설계 개발의 시작일 뿐입니다.

차세대 전원 모듈이 가져올 미래

부품 통합 수준이 점점 더 높아짐에 따라 IsoShield 및 MagPack 패키징 기술은 더 높은 전력 밀도, 향상된 열 성능 및 더 안정적인 고전압 작동이라는 장점을 전원 모듈에 제공할 것입니다.

카난은 “전원 모듈에서 얻을 수 있는 최고의 이점은 신뢰성입니다.”라고 말합니다. “하나의 패키지는 성능과 안전성이 통계적으로 테스트된 여러 부품을 통합할 수 있으며, 이는 시스템 수준에도 적용됩니다. 이것이 바로 제가 전원 모듈이 미래라고 생각하는 이유입니다.”

이 모든 것은 자동차든 검색을 지원하는 데이터 센터든 대부분의 사람들이 의식조차 하지 못하는 원활한 경험으로 귀결됩니다.

전원 모듈은 전원 설계에 유례 없는 가능성을 열어주고 있으며 그 시작은 바로 패키징입니다.