• 통합 변압기 모듈은 EV(전기 자동차) 트랙션 인버터 및 데이터 센터 PSU(전원 공급 장치)와 같이 공간이 제약된 애플리케이션을 위한 3배의 전력 밀도를 제공합니다.
• 고급 절연은 혹독한 환경을 위한 250V/ns 공통 모드 과도 내성을 제공합니다.

EV 성능에 대한 기대가 계속 커지고 있어 엔지니어는 차량 무게를 줄이고, 효율성을 향상시키며, 극한의 온도, 진동 및 EMI(전자기 간섭) 영향이 있는 혹독한 환경에서 과도 현상과 잡음으로부터 시스템을 보호하기 위한 전기화학적 절연을 제공하는 동시에 높은 배터리 전압과 더 빠른 스위칭 FET를 지원해야 합니다.

한편, AI 컴퓨팅 수요는 데이터 센터에서 더 높은 전력 밀도를 요구하며, 설계자는 수 킬로와트의 PSU, BBU(백업 배터리 장치) 및 서버 랙에서 유사한 절연 문제에 직면하면서 더 작은 공간에서 더 많은 전력을 집약시켜야 하는 과제를 안고 있습니다. 기존 인덕터-인덕터-커패시터 공진 컨버터 및 플라이백 설계에는 귀중한 보드 공간과 높이를 소비하는 변압기가 필요합니다. 개별 변압기 기반 설계는 또한 잡음 내성을 줄이고 설계 복잡성을 높이는 원치 않는 전기적 영향을 유발합니다.

TI의 독점적인 IsoShield™ 패키징 기술을 사용하는 절연 전원 모듈은 변압기, 스위칭 장치 및 패시브 부품을 통합하여 절연 요구 사항을 충족하는 동시에 기존 솔루션 대비 크기를 최대 70%까지 줄여 이러한 설계 제약을 해결합니다. 그림 1에는 이 독점 통합 변압기 기술을 사용한 전원 모듈이 나와 있습니다.

전력 밀도를 높여 솔루션 크기를 줄이는 방법

기존의 절연 전원 설계에서는 전원 공급과 보드 공간 중 하나를 선택하기가 어렵습니다. 변압기는 컴팩트한 공간에 적합해야 하며, 800V 배터리 시스템과 12V 또는 3V 제어 회로 사이에 절연을 제공해야 합니다. EV 설계자 및 데이터 센터 엔지니어는 무게와 공간 요구 사항을 최소화하면서 전력 밀도를 극대화해야 합니다.

IsoShield 패키징 기술이 적용된 전원 모듈은 일반적으로 PCB(인쇄 회로 보드)에서 가장 큰 부품인 변압기를 통합합니다. 다른 장치는 상당한 수준의 외부 회로를 사용해야 유사한 수준의 성능을 달성할 수 있지만 IsoShield 기술은 충분한 전력을 제공하면서 초소형 패키지를 가능하게 합니다. 예를 들어 중전압 UCC34141-Q1 및 저전압 UCC33420-Q1 DC/DC 모듈은 각각 5.85mm x 7.50mm x 2.65mm 및 4mm x 5mm x 1mm 패키지로 1.5W의 절연 출력 전력을 제공합니다.

UCC34141-Q1은 개별 플라이백 솔루션에 비해 바이어스 전원 솔루션의 면적을 70% 줄이고 기존 통합 변압기 솔루션에 비해 35% 이상 줄입니다. 이러한 크기 축소를 통해 각각 333%와 150% 더 높은 전력 밀도를 얻을 수 있습니다.

그림 2에서는 왼쪽의 플라이백에서 오른쪽의 완전 통합 솔루션인 UCC34141-Q1까지 솔루션 면적이 얼마나 줄었는지 시각적으로 보여줍니다.

솔루션 높이도 마찬가지로 중요합니다. 변압기를 통합하면 보드에서 높이가 가장 높은 부품이 제거되어 높이가 4분의 1 미만으로 줄어든 솔루션을 구현할 수 있습니다. UCC34141-Q1의 높이는 2.65mm이고, UCC33420-Q1은 1mm입니다.

통합과 작은 크기가 일반적으로 열 성능 및 EMI에 대한 우려를 제기하지만 IsoShield 기술이 적용된 DC/DC 모듈은 이러한 우려를 해소합니다. 이러한 장치는 이전 모듈에 비해 열 성능을 최대 30%까지 향상시키며 54% 더 작은 패키지로 제공합니다. 이러한 모듈은 CISPR(Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques) 32 클래스 B 및 CISPR 25 클래스 5 요구 사항을 통과하기 위해 작고 저렴한 EMI 필터링만 필요합니다.

향상된 시스템 내구성 및 안정성

안전한 시스템 작동을 보장하기 위해 잡음이 많고 혹독한 환경에서는 전원 공급 장치 안정성과 높은 성능이 중요합니다. IsoShield 기술이 적용된 장치는 다음 네 가지 유형의 내성을 통해 안정적인 성능을 제공하도록 설계되었습니다.

• CMTI(공통 모드 과도 내성): 이 모듈은 통합 변압기의 1차 및 2차 권선에서 3pF 미만의 기생 커패시턴스를 지원하여 UCC34141-Q1 및 UCC33421-Q1에서 250V/ns의 CMTI가 지원됩니다. 그림 3은(는) 250V/ns 이상의 전압 스트라이크 발생 시의 UCC33421-Q1 출력 파형입니다.

• 방사 내성: UCC34141-Q1의 횡전자기 셀을 사용한 전자기 잡음 주입 테스트는 10MHz~1GHz의 주파수 범위에서 100V/m 이상의 잡음 수준에서 연속 작동을 보여줍니다. UCC34141-Q1은 CISPR 25 표준을 충족하며 노출 금속이나 EMI 필터를 추가할 필요 없이 국제 전기 기술 위원회 61000-4-3 표준을 초과합니다.
• 자기 내성: UCC34141-Q1은 강력한 자기장 근처에서 안정적으로 작동합니다. 애플리케이션에서 이러한 자기장은 MRI 또는 엑스레이 기계와 같은 의료 장비의 트랙션 인버터의 버스 바나 자기에서 생성될 수 있습니다. IsoShield 기술이 적용된 전원 모듈은 자기장 강도가 100mT 이상인 상태에서 작동할 수 있습니다.
• 진동 내성: EV 애플리케이션에서는 일반적으로 강력하고 빈번한 진동이 발생합니다. 크기가 작고 프로파일이 낮기 때문에 IsoShield 기술이 적용된 장치는 개별 변압기에 비해 솔더 조인트와 PCB 패드에 가해지는 토크와 응력을 90% 이상 줄일 수 있어 진동으로 인한 변압기 고장 가능성을 줄일 수 있습니다. 그림 4은(는) 장치의 솔루션 높이 감소를 보여주며, 이는 진동 내성에 직접적으로 기여합니다.

설계 사이클 단축

변압기는 선택, 소싱 및 설계가 가장 어려운 부품 중 하나이기 때문에 카탈로그 설계 및 사용자 정의 설계 간의 절충이 필요합니다. 사용자 정의 설계에는 권선(개수, 경로 지정 방법, 손실 양), 코어(크기, 모양, 재료, 손실), 인덕턴스(누설, 커플링, 기생) 및 패키징 사양에 대한 고려가 크게 필요합니다.

변압기, 스위칭 FET 및 기타 수동 부품을 통합하는 바이어스 전원 모듈은 이러한 문제를 제거하여 부품 선택 및 설계 고려 사항을 크게 줄입니다. 이는 증가하는 시장 수요를 충족하기 위해 PSU, BBU 및 서버 랙을 신속하게 설계 및 배포해야 하는 데이터 센터 애플리케이션에서 매우 유용합니다.

결론

IsoShield 기술이 적용된 장치는 더 높은 전력, 더 높은 성능 및 더 높은 안정성을 위해 엔지니어링하는 것과 관련된 일반적인 절충점을 없애줍니다. 이전 바이어스 전원 솔루션의 70%를 다른 목적으로 다시 사용할 수 있어 시스템에 추가 기능이나 센서를 추가하거나, 이중화를 높이거나, 더 높은 전력 밀도 솔루션을 설계할 수 있습니다.

추가 리소스

• 평가 모듈을 주문하여 UCC34141-Q1을 평가하십시오.
• EV 트랙션 인버터의 설계 우선 순위 백서를 확인하십시오.
• HVDC 30kW PSU를 위한 데이터 센터 레퍼런스 설계(PMP23630)를 다운로드하여 시작하십시오.

상표

IsoShield™는 텍사스 인스트루먼트의 상표입니다.

모든 상표는 각 소유권자의 자산입니다.