국제 표준 경쟁

기후 변화에 대비하여 많은 정부에서는 새롭고 보다 엄격한 효율성 표준을 개발하고 있습니다. 하지만 이러한 표준이 공개되는 속도와 참여자 수는 아무리 경험 많은 설계자라도 당황하지 않을 수 없습니다. “월워트(wall wart)” 또는 “브릭(brick)”이라고도 하는 EPS(외부 전원 공급기)에 대한 효율성 표준을 예로 들어 보겠습니다.

2016년

대기 전력 레벨 감소

시 미국 DOE(에너지부)에서는 새로운 효율성 표준을 수립했습니다. 현재 유럽에서는 한발 더 나아가 엄격한 Ecodesign 규칙을 시행하고 있습니다. 따라서 설계자들은 특히 전원 공급기에 대해 효율성을 높이려고 노력하고 있으며, 이를 위해서는 추가 테스트가 필요합니다.
또한 표준 경쟁은 외부 전원 공급기로 제한되지 않습니다. 어플라이언스, 산업용 장비 및 HVAC 장비에 대해서도 새롭거나 개정된 표준이 지속적으로 발표되고 있습니다. 이러한 표준은 고유한 관할권을 가진 여러 기관에서 제정되고 있습니다. 미국 및 EU 기관 외에 중국 CQC도 적극적으로 표준으로 개발하고 있습니다. CEC(캘리포니아 에너지 위원회)는 미국 DOE를 능가할 수 있는 에너지 표준에 적극적인 입장을 취하고 있습니다. 이러한 표준은 살아 있는 문서이므로 설계자는 최신 상태를 유지해야 합니다.

전기 자동차의 확산

파워 일렉트로닉스 요구 사항을 구성하는 또 다른 추세는 자동차 시장에서 나타나고 있습니다. 자동차 업계에서는 대부분 전기 자동차가 궁극적으로 내연 기관 자동차를 대체할 것으로 예상하고 있습니다. 이러한 자동차의 구동 시스템에는 DC-AC 변환기 및 배터리 관리 시스템이 중요하지만 몇 가지 명확하지 않은 추세도 있습니다.

현대식 자동차 전반에 보급된 전자 장치로 인해 설계자는 소비 전력을 밀접하게 관리해야 합니다. 자동차 모듈에는 IoT의 “무중단” 문제도 존재합니다. 자동차의 시동이 꺼져 있는 경우에도 많은 시스템이 대기 모드에서 지속적으로 작동합니다. (실제로 대부분은 자동차가 가장 복잡한 “사물 인터넷” 중 하나가 될 것이라고 주장합니다.) 내연 자동차의 경우에도 설계자는 배터리 소모 없이 새로운 레벨의 안전성 및 편의성을 제공해야 합니다.

완전 전기 자동차가 실현될 때까지 우리는 다양한 형태의 하이브리드에 직면할 것입니다. 이러한 자동차에는 복잡한 전력 변환 및 관리 시스템이 포함될 것입니다. 곧 레거시 시스템이 될 12V 시스템과 대조적으로 미래의 HEV 및 EV에는 여러 전력 버스(buses)가 포함될 것입니다. 일부는 시동 장치/발전기, 회생 제동 장치, 배터리 또는 태양 전지에서 전력이 흐를 때 양방향 DC-DC 변환이 필요할 수 있습니다.

SiC 및 GaN으로의 획기적인 전환

광대역 밴드갭 반도체 기술이 폭넓게 사용되면서 향후 5년 내에 파워 일렉트로닉스가 근본적인 차원에서 진화할 것입니다. 탄화규소(SiC) 및 질화갈륨(GaN)과 같은 새로운 반도체 재료는 실리콘보다 뛰어난 열전도율, 빠른 스위칭 속도 및 물리적으로 작은 장치를 제공합니다.

전원 공급기의 기본 구성 요소에서 이러한 변화는 완전히 새로운 설계를 이끌고 있습니다. GaN은 전자식 전원 공급기(대략 100W 미만) 세계를 변화시킬 것으로 예상됩니다. 또한 GaN 기술은 전력 변환에 적합하게 만드는 대부분의 동일한 특성 덕분에 RF 전력 증폭기 세계도 개편하고 있습니다. SiC는 모터, 드라이브 및 인버터와 같은 고전력 설계에 적용됩니다. “올해는 많은 상용 제품이 출시됨으로써 탄화규소 기술의 중대한 변곡점이 발생한 해”라고 Tektronix의 엔지니어인 Tom Neville 씨는 말합니다. “저는 GaN이 다소 뒤처져 있다고 생각합니다. 비용은 분명히 하나의 요인이지만 안정성도 마찬가지입니다.”
반도체 산업은 이러한 광대역 밴드갭 전력 장치를 개발하고 촉진하기 위해 노력하고 있습니다. 반도체 R&D 엔지니어들은 새로운 성분을 검증하고 특성화하기 위해 노력하고 있습니다.드라이버 제조업체는 보다 빠른 스위칭, EMI 관리 및 보다 정교한 토폴로지에 대한 수요를 충족하기 위해 새로운 게이트 드라이버를 개발하고 있습니다. 이러한 회사의 제조 엔지니어는 웨이퍼 테스트 문제를 해결합니다. 즉, 이들은 이전보다 광범위한 전압 및 전류 범위에 걸쳐 소형 장치를 철저히 테스트해야 합니다.

가치 체인의 반대쪽 끝에 있는 전원 공급기 설계자들은 GaN 및 SiC 장치를 최대한 활용하기 위해 노력하고 있습니다. 실리콘 MOSFET에 적용된 경험의 법칙(전력-변환-설계)을 재고해야 합니다. 설계자들은 하프 브리지 스위치의 데드 타임(dead time)을 최소화하여 스위칭 손실을 최소화하기 위해 노력하고 있습니다. 설계 전반에 걸쳐 동적 전압 및 전류를 정확하게 보고 평가할 수 있는 것이 중요하지만 커먼 모드(common mode) 전압 및 빠른 라이즈 타임(rise time)으로 인해 이는 쉬운 일이 아닙니다.

새로운 프로빙 기법은 이전에 숨겨졌던 설계에서 발생하는 사항에 대한 세부 정보를 제공합니다.

“테스트가 어느 때보다 훨씬 중요”하다고 Tektronix의 엔지니어인 Seshank Malap 씨는 말합니다. “전력 밀도 및 효율성이 중요해지면서 사람들은 전력 변환 애플리케이션에 최대한 작은 장치를 사용하려고 하고 있습니다. 그렇기 때문에 테스트 및 측정이 매우 중요해지고 있습니다. 여러분의 게이트는 여러분이 원할 때 정확히 켜지나요? 설계에서 최상의 효율성을 얻을 수 있도록 듀티 사이클이 정확한가요? 쿨링(cooling)없이도 전력 장치가 열을 최대한 발산시키나요?”
“장치뿐 아니라 전체 타이밍 회로도 마찬가지로요”라고 Shah 씨는 덧붙입니다. “그렇기 때문에 여러분은 장치가 꺼져 있어야 할 때 장치를 켜지 않고 모든 신호가 정상적으로 작동하도록 하기 위해 다양한 많은 신호를 동시에 조정해야 합니다.”

Malap 씨에 의하면, 기존 테스트 도구 및 기법은 전력 설계의 변화하는 추세에 적합하지 않습니다. “기존에 전력 변환기를 설계하고 테스트할 때는 여기저기서 몇 가지 신호를 보고 나머지 신호가 수행하는 작업을 추정했다”고 그는 설명합니다. “더 이상 그렇게 해서는 안 됩니다. 이는 단순히 잘못된 생각에 그치는 것이 아니라 장치를 폭발시킬 수도 있는 정말 위험한 생각입니다.”

제6의 물결

세상이 점점 연결되고 있습니다. 우리의 기술이 이러한 현상에 적응하기 위해 변화하고 있듯이 우리의 엔지니어링 도구 및 기법도 변화해야 합니다. 중요한 가치를 측정하고 중요한 장치의 기능을 보장할 수 없다면 우리의 발전도 한계에 부딪힐 것입니다.

“이 모든 문제를 해결하려면 소비 전력 및 일반적인 전력 처리를 최적화하는 방법으로 돌아가야 한다”고 하면서 Malap 씨는 “이것이 상당히 흥미롭다고 생각한다”고 덧붙였습니다.