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키사이트테크놀로지스자동차 어플리케이션의 전력 테스트난점과 해결책

기술 개요

소개자동차의 전장화는 매년 계속 증가하고 있으며 이러한 추세는 앞으로 더욱 가속화될 것 입니다. 그리고, 이러한 양상은 “그린 에너지”라는 목표 달성을 위한 하이브리드 자동차 및 전기 자동차의 사용 증가, 전자 부품이 일반적으로 제공하는 탁월한 신뢰성에 대한 욕구, 그리고 자동차 리콜(이러한 요소들은 대체로 전기 장애보다는 기계적 장애에 기인함) 감소 필요성 등의 요소와 맞물려 심화되고 있습니다. 뿐만 아니라, 모두가 에너지 효율성, 안전성, 신뢰성을 저하시키지 않고도 낮은 비용으로 자동차 기능을 개발하는 데 매진함에 따라, 전세계 자동차와 자동차 부품 산업은 점점 더 치열한 경쟁을 벌이고 있습니다.

이 기술 개요에서는 자동차 전자 시스템, 이들 산업이 직면한 과제, 그리고 이를 충족시키기 위해 자동차 전자 엔지니어들에게 필요한 툴에 대해 요약하고 이러한 과제에 대한 키사이트의 솔루션에 대한 논의로 마무리합니다. 전장화되고 있는 자동차 기능은 아래와 같습니다.

파워트레인 제어/충전기

– EV – HEV – 온보드 충전기 – 충전소

안전 제어

– 전력 스티어링 – 브레이크 장치

차체 제어

– 파워 도어/윈도우 – HID 조명 시스템

센서

– 압력 센서 – 가속도계 – 전류 센서 – 광 센서

그림 1. 전자적으로 구현된 자동차 기능

03 | 키사이트 | 자동차 어플리케이션의 전력 테스트 난점과 해결책 – 기술 개요

자동차 전장화의 과제

요즘은 많은 자동차 기능이 전자적으로 제어되고 있습니다. 그림 2는 몇 가지 일반적인 자동차 전자 어플리케이션의 블록 다이어그램입니다.

하이브리드 전기 자동차(HEV)와 전기 자동차(EV) 기술은 자동차 연료 효율성을 크게 개선합니다(심지어 액체 연료를 전혀 사용할 필요가 없습니다). 이러한 기술의 핵심에는 전압을 증가시키는 컨버터와 모터를 구동하는 인버터로 구성되어 있는 전자화된 파워트레인이 있습니다. 파워트레인은 모든 HEV/EV 시스템의 심장부에 있기 때문에 절대적으로 안정적이어야 합니다. 파워트레인은 높은 전압과 전류(최대 650 V와 200 A), 그리고 극단적인 온도(-40 °C ~ 40 °C)와 높은 습도 등의 상태에 직면하게 되기 때문에 이러한 조건을 견뎌낼 수 있는 능력이 필요합니다. 파워트레인에서 사용되는 전력 디바이스(IGBT, 다이오드 등)는 자신이 소진시키는 에너지 때문에 100 °C 이상의 고온에서도 작동해야 하며, 파워트레인은 이러한 극단적 조건에서도 안정적으로 작동해야 합니다.

파워트레인의 회로에 사용되는 다이오드와 IGBT는 높은 연료 효율성 달성을 위한 핵심으로, 이를 위해서는 유도 손실과 스위칭 손실이 낮은 디바이스를 사용하는 것이 매우 중요합니다. 또한, 컨버터/인버터 작동 주파수가 높아지면서 주변의 커패시터와 인덕터의 크기가 소형화되었기 때문에 무게도 감소하고 연료 효율성 역시 증가하게 되었습니다. SiC와 GaN 같은 신소재로 가공된 디바이스는 높은 작동 주파수와 보다 강력한 온도 성능을 제공하여 미래 전력 자동차 시스템을 위한 매력적인 구성요소가 되었습니다.

그림 2. 전장화된 자동차 기능의 블록 다이어그램 예시

파워트레인

Sensor

Brake system

컨버터 모터 제어용 인버터

스티어링 휠

발전기 제어용 인버터

모터

모터

모터

예 :

발전기

프리드라이브

프리드라이브

모터드라이브 모터

드라이브

솔레노이드 드라이브 MOSFET모터 전류

스티어링토크 센서

레귤레이터

센서

센서

센서

센서

전력 관리IC

리졸버

엔진브레이크

게이트웨이

브러시리스 DC 모터

EPS엔진

솔레노이드

센서

브레이크 시스템파워스티어링

MCU MCU

MCU

센서 I/F

CAN Xcvr

FlexRay Xcvr

CAN Xcvr

FlexRay XcvrFlexRay

CANFlexRay

CAN

Wheel Speed

센서 I/F


물론, 전기 파워트레인이 없는 자동차에도 매우 중요한 전기 시스템이 상당히 많습니다. DC-DC 컨버터와 정류기는 온보드 충전기와 충전 시스템에 사용되며, 이들 회로의 요건은 파워트레인의 요건과 비슷합니다. 전력 스티어링, 브레이크 및 조명 시스템은 자동차 안전을 위해 매우 중요하며 이들 시스템의 작동은 최대한 안정적이어야 합니다. 따라서 이들 시스템에 사용되는 모든 구성요소(MOSFET, 다이오드, 커패시터, 인덕터 등)는 광범위한 조건에서 안정적인 동작을 유지해야 합니다. 자동차에 사용되는 전기 센서는 동작 제어, 작동 효율성 및 안전성과 관련된 중요한 정보를 제공하므로 이들의 성능과 신뢰성 역시 매우 중요합니다. 이런 이유 때문에 많은 자동차 및 자동차 구성요소 제조업체들은 이들 센서의 개선을 위해 적극적인 노력을 기울이고 있습니다.

전자화된 자동차 시스템이 직면하는 핵심 과제

– 다양한 환경변화에도 안정적인 성능 유지

– 높은 작동 전류 및 전압 적용(예: 200 A, 650 V)

– 넓은 온도 범위에서 작동(예: -40 °C ~ +150 °C)

– 높은 변환 효율성 필요

– 모듈 크기와 무게를 줄이기 위해 높은 작동 주파수 필요

– 중대한 안전 정보를 제공하기 위해 신뢰할 수 있는 센서 필요

– 효율성 및 기능적 온도 범위를 증가시키기 위해 반드시 SiC/GaN 디바이스 활용

자동차 전기 회로 설계자가 직면하는 과제는 무엇인가?

자동차 산업에 종사하는 전기 엔지니어들은 고도로 효율적이고 안전하며 신뢰할 수 있는 전기 회로를 개발해야 하기 때문에 최종 회로 특성의 평가가 매우 중요합니다. 이러한 이유로, 각 노드 회로의 전류와 전압 파형을 검증하는 것을 포함해 전체 회로의 효율성을 평가하는 것이 필수적인 프로세스가 됩니다. 이것을 가능하게 하려면 회로에 사용되는 전력 디바이스, 구성요소 및 센서를 반드시 깊이 있게 이해해야 합니다. 이는 특히 회로에 사용되는 전력 디바이스에 해당되는 것으로(IGBT 및 MOSFET), 이러한 디바이스의 성능이 전체 회로의 효율성, 안전성 및 신뢰성을 좌우하는 경우가 많기 때문입니다. 그러나 불행히도 디바이스 제조업체가 제공하는 데이터시트 정보는 이러한 필요를 충족하기에 충분하지 않은 경우가 많습니다. 데이터시트의 조건은 실제 사용 조건과 종종 다르고, 제공된 정보는 디바이스 변화에 대한 정보가 전혀 없는 상태에서 큰 차이가 있는 경우가 많습니다. 그렇기 때문에 디바이스 및 구성요소 제조업체가 제공하는 정보만을 이용해서 신뢰할 수 있고 효율적인 회로를 설계하는 것은 어려운 일입니다.

다음 페이지에서는 부품 차원의 테스트에 필요한 핵심 요소에 대해 보다 자세히 다루고, 이러한 자동차 산업의 과제를 해결하기 위해 키사이트가 개발한 솔루션에 대해 설명하도록 하겠습니다.


Testing with real operating condition (e.g. 400A, 1200V)- Power device: Ron, Vt, Vsat, Leakage, BV, CV- Component: C, L, R, Leak, etc.

Crit

ical

for

effic

ient

circ

uit d

esig

n

Parameter evaluation critical to power loss/efficiency

Besides parameters, IV, CV and Qg curve are critical for circuit operation analysis

Large number of device/component must be tested to know real performance and variation

Ensuring operation from low to high temperature environment

- 40 °C to + 150 ° C

Both Ron and CV have to be tested in order to identify substandard devices

Test equipment should be easy to use without going through product training

Compliance to international standards (e.g. AEC, JEITA, LV)

Crit

ical

for

safe

ty/r

elia

bilit

y

- Ron, Ciss, Coss, Crss, Qg, Rg- Ton, Toff, Power loss

그림 3은 자동차 어플리케이션의 부품 차원에서 테스트를 수행할 때의 주요 고려사항을 요약하고 있으며, 이 모든 사항들은 이전에 논의했던 자동차 전기 시스템이 직면한 과제와 관련 있습니다. 물론, 이러한 문제들의 밑바탕에는 안전성, 신뢰성, 효율성 개선의 필요성이 있습니다. 이러한 우려사항을 해결하기 위해서는 자동차 전기 엔지니어들이 온저항(Ron), 포화 전압(Vsat), 항복(BVdss), 입력/출력 커패시턴스(Ciss, Coss) 같은 테스트 부품 파라미터를 테스트해야 합니다. 또한, 이러한 테스트를 실제 작동 조건에서(400 A 또는 1200 V 등) 광범위한 온도 범위에 걸쳐 수행해야 하며, Crss, 게이트 전하(Qg) 및 게이트 저항(Rg)과 같은 파라미터에 대한 철저한 이해를 통해 전력 손실을 최소화해야 합니다. 자동차 센서(특히 정전식 MEMS 센서)의 성능 검증 역시 중요하며, 이러한 프로세스에서 첫 번째 단계는 DC 테스트(IV 및 CV)입니다.

기술적 우려사항 외에도, 자동차 어플리케이션에 사용되는 반도체 부품 테스트를 추진해야하는 경쟁적인 요소가 있습니다. 이들만큼이나 중요한 것은 자동차 엔지니어들이 비용 절감을 위해 새로운 기술(SiC와 GaN)을 채택해야 한다는 것입니다. 또한, 모조품이나 규격 미달의 전력 디바이스 만연으로 인해 자동차 제조사들은 이들 디바이스를 대량 생산에 사용하기 전에 일종의 선별 검사를 수행해야 합니다.

그림 3. 부품 차원의 자동차 테스트 과제 요약

부품 차원의 자동차 테스트 과제 요약


전력 디바이스/부품

키사이트테크놀로지스는 부품 차원의 테스트를 위한 키사이트 솔루션에 대한 개요를 제공합니다. 그림 4는 부품 차원의 테스트를 위한 여러 가지 솔루션 포트폴리오입니다.

다음 섹션은 각 솔루션을 상세하게 설명하며 전력 디바이스와 부품 테스트를 위한 올인원 솔루션인 키사이트 전력 디바이스 분석기에 대한 추가 정보를 제공합니다.

회로 설계용 B1506A 전력 디바이스 분석기

회로 설계용 B1506A 전력 디바이스 분석기는 자동차 전자 회로 설계자가 자동차 전기 시스템의 효율성, 안전성 및 신뢰성을 극대화하도록 돕는 완전한 솔루션으로, 항복 전압과 온저항 등 IV 파라미터와 3단자 FET 커패시턴스, 게이트 저항, 게이트 전하, 전력 손실 등 광범위한 작동 조건에서 관련된 모든 디바이스와 부품 파라미터를 평가할 수 있습니다.

그림 4. 자동차 부품 차원의 테스트를 위한 키사이트 솔루션 포트폴리오

부품 차원의 테스트를 위한 키사이트 솔루션

부품 테스트를 위한


실제 작동 조건에서 디바이스 특성 분석

B1506A는 sub-nA ~ 1,500 A와 마이크로 볼트의 3 kV까지 광범위한 전류 및 전압을 다루며, 자동차 전기 회로에 사용되는 대다수 디바이스의 평가를 지원합니다. B1506A의 50 μs 펄스 폭 측정 능력은 자기 발열 효과를 제한하고 보다 정확한 디바이스 특성 분석을 제공합니다. 또한, B1506A는 디바이스 전력 손실을 파악하기 위한 모든 핵심 파라미터인 디바이스 커패시턴스, 게이트 저항 및 게이트 전하 특성도 평가할 수 있습니다. 그림 5는 B1506A를 사용해서 얻은 몇 가지 일반적인 디바이스 파라미터를 보여줍니다.

그림 5. B1506A로 측정한 일반적 특성

최대 3 kV의 BV와 누설 최대 1,500 A의 Id-Vds

I소싱으로 측정한 Vsat Rg 및 Ciss와 Vgs의 비교

최대 3 kV Ciss, Coss, Crss 게이트 전하(Qg)


그림 6. B1506A가 지원하는 온도 테스트 솔루션

모든 온도 범위에서 디바이스 작동 검증

모든 온도 범위에서 디바이스 작동의 특성을 분석하는 것은 자동차 어플리케이션에서 매우 중요하지만 이를 수행하는 것은 쉽지 않습니다. 온도 테스트 챔버는 안정화되는 데 시간이 오래 걸릴 수 있으며 챔버에서 테스트 장비로 연결되는 긴 케이블은 진동 문제를 유발할 수 있는 저항과 인덕턴스를 유발합니다. 이와 대조적으로, B1506A는 자동화되어 있고 사용이 용이하며, 광범위한 온도 범위(-50°C ~ +250°C)에서 온도 변화에 따른 정확한 측정을 제공하고 두 가지 솔루션을 이용할 수 있습니다. 한 가지 솔루션은 업계 표준 inTEST Thermostream 온도 시스템을 지원하며, 또 다른 솔루션은 B1506A의 테스트 픽스처 내부에 있는 열 플레이트(inTEST에서도 사용 가능)입니다(그림 6 참조). 이들 솔루션을 사용하면 하루 종일이나 소요되던 열 테스트를 1시간 내에 수행할 수 있습니다(그림 7 참조).

Thermostream 솔루션 (-50 °C ~ +220 °C) 열 플레이트 솔루션 (상온 ~ +250 °C)

그림 7. B1506A를 사용한 온도 의존적 측정의 예

+25 °C → - 45 °C → +150 °C 제어 전체 온도 범위의 예시 디바이스 특성


최적의 디바이스 선택으로 회로 효율성 극대화

회로 성능과 효율성을 극대화하기 위해서는 기존의 커브 트레이서가 제공할 수 있는 것보다 더 많은 데이터가 필요합니다. 특히, 스위칭 주파수가 스위칭 손실과 구동 손실을 증가시키면 디바이스 전력 손실이 두드러지기 시작하기 때문에 디바이스 커패시턴스, 게이트 저항 및 게이트 전하의 특성 분석이 상당히 중요해집니다. 그러나 이러한 파라미터는 측정하기 어렵기 때문에 많은 자동차 엔지니어들이 측정할 시도조차 하지 않습니다. B1506A는 이러한 파라미터를 자동으로 측정할 수 있고 추출된 파라미터를 사용해서 전력 손실 계산을 수행함으로써 이러한 문제를 해결할 수 있습니다.

그림 8. B1506A로 계산한 전력 손실 대 주파수

직관적이고 자동화된 데이터시트 특성 분석

B1506A의 데이터시트 특성 분석 모드는 특별한 교육 없이 누구나 핵심 디바이스 파라미터를 자동으로 측정할 수 있도록 지원하며, 모든 특성을 데이터시트 형식으로 인쇄할 수 있기 때문에 다양한 구성요소의 성능을 쉽게 비교할 수 있습니다.

그림 9. Easy Test Navigator 소프트웨어는 데이터시트 생성 기능을 통해 직관적이고 자동화된 디바이스와 구성요소 테스트를 제공합니다.


B1507A 전력 디바이스 커패시턴스 분석기

DC 특성 분석을 위한 일반적인 커브 트레이서나 양산용 전력 디바이스 테스터는 이미 가지고 있지만 커패시턴스 측정 기능은 없는 경우, B1507A가 이 부분의 격차를 해소할 수 있습니다. B1507A는 높은 전압 바이어스 (최대 3 kV)에서 자동 트랜지스터 입력, 출력과 역방향 전송 커패시턴스 측정 기능뿐만 아니라 게이트 저항을 측정할 수 있는 역량도 제공합니다.

B1505A 전력 디바이스 분석기/커브 트레이서

B1505A는 더 넓은 전류와 전압 범위, 개선된 저전류 측정 정확도, 중전류를 통한 고전압 측정(예: 1.2 kV 일 때 500 mA) 역량, GaN 전류 붕괴 테스트 옵션, 3개 이상의 핀을 동시에 측정할 수 있는 역량을 제공하는 B1506A에 대한 더욱 유연한 대안입니다. 뿐만 아니라, B1505A는 온웨이퍼와 패키지된 디바이스 둘 다 측정할 수 있습니다. 전력 디바이스 제조업체들이 널리 사용하고 있는 B1505A는 GaN 전력 디바이스를 활용하고 4터미널 IGBT Sense Emitter Current를 측정하며 게이트 드라이버 회로용으로 HVIC를 특성 분석하는 등 자동차 전자장치 엔지니어들에게도 매우 중요합니다.

키사이트 오실로스코프와 펄스 발생기

스위칭 특성은 구성요소 차원의 테스트에서 중요한 부분이며 키사이트는 이러한 파라미터 평가를 지원할 수 있는 오실로스코프와 펄스 발생기를 둘 다 가지고 있습니다. InfniiVision 4000 X 시리즈 오실로스코프는 합리적 가격으로 충분한 대역폭과 분해능을 제공하며 필요한 경우 전류 프로브와 함께 사용할 수도 있습니다. 또한 81110A 펄스 발생기는 자동차 구성요소를 특성 분석할 수 있을 만큼 충분히 빠르고 큰 전압 펄스도 제공할 수 있습니다.


센서 특성 분석 솔루션

B1500A 및 B2900A SMU를 사용하는 DC MEMS 성능의 간편한 특성 분석

전류와 전압을 소싱하고 측정할 수 있는 능력을 모두 갖춘 SMU는 자동차 센서의 IV 성능을 특성 분석할 수 있는 편리한 툴입니다. 예를 들어, B1500A 시리즈와 B2900A 시리즈는 둘 다 MEM 디바이스(가속도계 등)의 DC 전류 및 전압 특성 분석을 수행할 수 있습니다. 아래 그래프에 표시된 것처럼 SMU는 MEMS 디바이스가 수동으로 360도 회전할 때 출력 전압을 측정할 수 있습니다.

E4980A LCR 미터를 사용한 MEMS 평가MEMS 정전식 센서(압력 센서 또는 가속도계 등)는 커패시턴스 변화를 통해 기계적 변위를 감지합니다. 이들 디바이스의 기능을 테스트하는 데는 뛰어난 테스트 효율성을 제공하는 정전력이(물리적 자극이 아닌) 일반적으로 사용됩니다. 그러나 액추에이터의 정전식 변화는 매우 작기 때문에 펨토 패럿 이하 분해능의 커패시턴스를 측정할 수 있는 테스트 장비가 필요합니다. 따라서 아토 패럿 반복성(σ < 1fF)의 커패시턴스를 측정할 수 있는 E4980A가 이러한 용도에 가장 이상적인 툴입니다.

요약

지속적인 자동차 전기 부품의 증가 추세는 전자 회로 설계자들에게 많은 과제를 안겨주고 있습니다. 작동 효율성 개선과 우수한 안전성이라는 목표는 이러한 회로에 사용되는 구성요소에 대해 과거보다 훨씬 방대한 테스트를 통과할 것을 요구합니다. 반도체 디바이스와 구성요소의 경우, 이러한 요건에 부합할 수 있도록 IV, CV, Qg 및 게이트 저항을 특성 분석해야 합니다. MEMS 센서는 로우 레벨 IV 측성 분석과 상당히 정밀한 CV 측정을 요구합니다. 키사이트테크놀로지스는 이러한 테스트 요구를 모두 충족할 수 있는 완전한 솔루션을 제공합니다.

Time

XOUT Voltag

e

DUT

PIN1 Indicator

90◦ 90◦ 90◦ 90◦

B2900A 소스/측정 장치 (SMU) B1500A 반도체 디바이스 분석기 MEMS 가속도계 출력 전압 측정

E4980A LCR 미터

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44118

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