TI, 업계 최고 수준의 신뢰성을 제공하는 솔리드 스테이트 릴레이로 절연 기술 선도
전기차의 안전성 향상 및 솔루션 크기는 90%, 비용은 최대 50%만큼 절감
TI 코리아 (대표이사 박중서, ti.com/kr), 2022년 5월 10일 — 텍사스 인스트루먼트(TI)는 오늘 고전압 시스템을 위한 절연 제조 기술과 IC를 개발해 온 지난 20년 이상의 경험을 바탕으로 차량용 절연 드라이버 및 스위치를 포함한 솔리드 스테이트 릴레이(SSR, Solid State Relay)[1] [2]포트폴리오를 출시했다고 발표했다. 이 새로운 포트폴리오는 업계 최고 수준의 신뢰성을 제공하면서 전기차의 안전성을 더욱 향상시켜 준다. 또, 파워트레인과 800V 배터리 관리 시스템(BMS, Battery Management System)의 솔루션 크기를 최소화하고 BOM 비용을 낮출 수 있다.
새롭게 선보이는 10V 게이트 전원을 통합한 절연 스위치 드라이버 TPSI3050-Q1과 1200V 50mA 절연 스위치 TPSI2140-Q1는 두 제품 모두 단일 장벽을 통해 전원과 신호 절연을 통합한 고유의 접근법으로 신뢰성을 향상시킨다. 또, 기존 전기기계식 릴레이 및 솔리드 스테이트 포토릴레이(photorelay)[3]에 비해 솔루션 크기와 비용을 크게 낮출 수 있다. 이 디바이스들은 새로운 솔리드 스테이트 릴레이 포트폴리오 중 가장 처음 출시되는 제품으로, 고전압 산업용 애플리케이션에 활용되는 IC 설계도 포함한다.
트로이 콜먼 (Troy Coleman) 텍사스 인스트루먼트 부사장 겸 전원 스위치, 인터페이스, 조명 부문 총괄 책임자는 “전기차의 비중이 증가함에 따라 고전압 시스템이 보편화되고 있다. 전기차 업계가 800V 배터리로 전환함에 따라 절연이 시스템 엔지니어들에게 까다로운 설계 과제로 대두되었다. TI는 이런 시스템 디자이너들의 과제를 해결하고, 신뢰할 수 있고 안전하게 작동할 수 있도록 지원하기 위해 노력하고 있다”며, “보다 많은 기능을 통합하게 된 TI의 절연 기술을 적용한 새로운 솔리드 스테이트 릴레이로 엔지니어들은 이제 고전압 전원 공급기의 크기, 비용, 복잡성을 낮추고 차세대 차량 및 산업 시스템의 안전성을 더욱 높일 수 있게 됐다”고 말했다.
통합 절연 기술을 통해 높은 시스템 신뢰성 달성
전기기계식 릴레이는 수 밀리초가 걸리는 반면, 새로운 솔리드 스테이트 릴레이는 단일 절연 장벽을 통해 마이크로초 단위로 부하를 차단하고 연결하므로 고전압 차량용 시스템에서 더 안전하게 작동한다. TPSI3050-Q1은 최대 5kVRMS에 이르는 강화 절연을 제공하고, 전기기계식 릴레이에 비해 10배 이상 높은 작동 수명을 제공한다. [4] 또한, TPSI2140-Q1은 3.75kVRMS에 이르는 기본 절연을 제공하며, 솔리드 스테이트 포토릴레이에 비해서 4배 이상 높은 TDDB[5] 신뢰성을 달성한다.
전원과 신호 절연 통합으로 시스템 크기 축소 및 비용 절감
솔리드 스테이트 릴레이는 전원과 신호 전송을 단일 칩으로 통합하여 최소 3개의 부품을 줄이는 동시에 솔루션 크기를 축소하고 BOM을 최대 50%만큼 낮출 수 있다. TPSI3050-Q1은 절연 전원 공급기, 디지털 절연기, 게이트 드라이버의 기능을 통합함으로써 기계식 릴레이 솔루션 대비 90%까지 축소된 솔루션 크기를 제공한다. TPSI2140-Q1은 신호 FET과 저항기를 통합하고 리드 릴레이[6]의 필요성을 없애 기존 솔리드 스테이트 포토릴레이 솔루션 대비 크기를 50%까지 축소할 수 있다.
800V 전기차 BMS의 안전성 향상
고전압 측정 및 절연 모니터링에 적합하도록 설계된 TPSI2140-Q1은 BQ79631-Q1 같은 배터리 팩 모니터링 디바이스와 결합해서 800V 배터리 관리 시스템에서 솔리드 스테이트 포토릴레이보다 더 빠르고 높은 정확도로 절연 결함을 감지할 수 있다. TPSI2140-Q1은 1MW 미만 저항을 사용하고 기존 포토릴레이 대비 300% 높은 애벌런치[7] 전류를 견딜 수 있으므로 더 안전하게 사람과 시스템 사이의 상호작용이 가능하다.
패키지, 공급, 가격
TPSI3050-Q1과 TPSI2140-Q1은 TI.com에서 양산 전 버전으로 1,000 개 수량 당 각각 1.99달러, 2.75달러에 구입할 수 있다. 또한 TI.com에서 엔지니어들이 해당 제품을 평가할 수 있는 TPSI3050Q1EVM과 TPSI2140Q1EVM 의 평가 모듈을 49달러 가격에 구입할 수 있다.
TI의 차별화된 절연 제품
솔리드 스테이트 릴레이는 계속해서 늘어나는 TI 절연 제품 포트폴리오에 가장 최근 추가된 제품이다. 또 다른 신제품인 UCC14240-Q1 절연 DC/DC 바이어스 전원 모듈은 TI 고유의 트랜스포머 통합 기술을 적용해서 높은 전력 밀도, 낮은 전자기 간섭(EMI), 높은 신뢰성을 달성함으로써 전기차의 주행 거리를 늘린다. AMC23C12는 업계 최초의 강화 절연 비교기 제품으로, 표준 비교기 기능에 견고한 갈바닉 절연 [8]장벽을 통합함으로써 솔루션 크기를 50%까지 축소하고 400ns 미만의 초고속 절연형 양방향 과전류 및 과전압 감지가 가능하다. 제품에 관한 추가 정보는 https://www.ti.com/isolation에서 참고할 수 있다.
참고자료
솔리드 스테이트 릴레이의 이점: [기술기고문] 솔리드 스테이트 릴레이를 통해 보다 높은 신뢰성을 제공하는 절연을 달성하면서 솔루션 크기를 축소하는 방법 참고
[1] 릴레이: 전기회로를 열고 닫는 역할을 하는 전기 스위치
[2] 솔리드 스테이트 릴레이(SSR, Solid State Relay): 전자(電磁) 릴레이와 마찬가지로 입력측과 출력측이 절연되어 입력과 출력의 ON-OFF가 일치하는 기능을 무접점으로 시키도록 한 반도체 부품
[3] 포토릴레이(photorelay): 광속(光束)을 광전관(光電管)으로 받아 그 광속의 증감(增減)에 의하여 동작하는 계전기
[4] 이는 시간이 지남에 따라 저하될 수 있다.
[5] TDDB(time-dependent dielectric breakdown): 산화막의 파괴에 의한 불량발생을 예측하는 방법으로 다수의 MOS커패시터를 이용하여, 게이트전극에 장시간 전압을 인가하고 파괴될 때까지의 시간을 측정하는 방법
[6] 리드 릴레이: 작은 유리관 속에 봉입된 접점부를 자기적으로 개폐하는 계전기
[7] 애벌런치(avalanche): 전압 스파이크가 디바이스의 항복 전압을 초과하는 경우에 발생하는 현상
[8] 갈바닉 절연: 전류 흐름을 방지하기 위해 전기 시스템의 기능 섹션을 절연하는 원리, 별도의 제어 흐름을 생성하여 시스템의 정보 및 실행 영역에 대한 전기 독립성을 보장함