[헬로티]

TI는 올해 1월 AMC1301이라는 절연 증폭기(Isolated Amplifier)를 발표한 데 이어 최근 절연 게이트 드라이버인 UCC21520을 출시했다. 두 제품의 기능은 다르지만, TI는 절연 관련 제품을 확대시켜 나간다는 목표로 제품들을 계속해서 내놓고 있다. TI가 기존에 DC-DC, 충전기, DSP 등의 개발에 초점을 맞췄다면 최근에는 인더스트리, 오토모티브, 클라우드 분야의 급격한 성장에 따라 고압 절연 기술에 집중하며 투자도 늘리고 있다.

절연(Isolation)은 공장자동화, 빌딩 자동화, PC나 스마트폰, 가전제품, 모터 드라이브, 스마트그리드, 의료장비 등 다양한 분야에서 필요한 기술이다.

여기서 절연이란, 고압과 저압 사이에서 데이터나 전원이 원활하게 공급되도록 하는 것을 말한다. 절연은 고압 서지로 인해 인체나 기기가 손상을 입지 않도록 하기 위해 반드시 필요하다. 그뿐 아니라 HEVs/EVs, 서버의 전원 공급, 모터 드라이브의 인버터, 태양에너지 변환 시스템 등에서 안정적으로 커뮤니케이션하는 데에도 필요하다. 

TI는 새로운 게이트 드라이버 제품군의 첫 번째 제품인 5.7kVRMS, 듀얼 채널의 절연 게이트 드라이버 UCC21520을 소개했다.

빠른 절연 성능, 높은 호환성, 스위칭 퍼포먼스 최적화

이 게이트 드라이버는 유연하면서도 보편적인 호환성을 제공하므로 로우사이드, 하이사이드, 하이사이드/로우사이드, 하프 브리지 전원 관리 설계에 절연 드라이버로 사용할 수 있다. 

시스템 보호와 신뢰성이 중시되는 고전압 애플리케이션을 위해 설계됐으며 5.7kVRMS의 강화된 절연 성능과 최대 12.8kV에 이르는 서지 내성, 100V/ns 이상의 동상 모드 과도응답 내성을 제공한다. 또한 빠른 19ns의 전달 지연과 5ns 미만의 채널 간 지연 매칭을 제공해 높은 전력 밀도와 효율을 달성하며, 솔루션 크기가 작고 신뢰성이 높아 완제품의 수명을 연장한다.

TI의 조진우 부장은 “UCC21520은 소형 솔루션을 위한 높은 전력 밀도, 절연 강화, 유연성 등의 장점을 갖고 있으며, 채널당 1mA 대기전력으로 전력 소비가 낮아 에너지 효율을 높인다. 또한 산업 표준의 핀투핀(Pin-2-Pin) 호환도 가능하다”고 설명했다.

포괄적인 전원 관리 설계로 시스템 성능 극대화

UCC21520 절연 게이트 드라이버에 TI 컨트롤러 제품들을 결합하면 시스템 성능을 극대화할 수 있다. 아날로그 컨트롤러에는 위상 천이 풀 브리지 설계를 위한 UCC28950과 공진 모드 전원 공급 장치를 위한 UCC25600, PFC(Power Factor Correction)를 위한 UCC28070가 포함된다. 또한 TI의 디지털 파워 컨트롤러에는 UCD3138 및 C2000TM 32비트 마이크로컨트롤러가 포함된다.

UCC21520을 위해 TI에서 제공하는 다양한 지원 툴, 즉 UCC21520EVM -286 평가 모듈 및 PSpice/SIMPLIS 과도응답 모델을 활용하면 제품 출시 시간을 단축시킬 수 있다. 또 TI에서는 전류, 전압, 온도 보호 기능이 통합된 강화 절연 3상 인버터를 위한 블록 다이어그램, 설계 파일 및 BOM(Bill of Materials)이 포함된 TI 디자인스 레퍼런스 디자인(TIDA-00366)을 제공하고 있다.

오늘날, 정보 전송 및 검색에 대한 수요가 끊임없이 증가하고 있다. 맛집에서 줄을 서거나 버스를 기다릴 때, 우리는 스마트폰으로 소셜 미디어, 문자 메시지 및 이메일 등을 확인한다. 그런데 이 정보들은 어디에서 오는 것일까? 

정답은 클라우드다. 전 세계 사람들이 실시간으로 인터넷에 접속하는 데 가장 핵심적인 역할을 담당하고 있다. 음악 재생 목록이나 비디오 스트림과 같은 정보를 검색하고 저장하는 일은 백그라운드에서 이루어지며, 이를 위해 높은 수준의 전력이 필요하다. 따라서 클라우드에서 절연이 필요해진다.

클라우드, 왜 절연이 필요한가

먼저 클라우드가 물리적으로 어디에 위치하고 있는지부터 살펴보자. 클라우드는 데이터센터다. 광 케이블이나 동축 케이블 또는 무선 통신 기지국을 통해 데이터 센터로 정보를 전송하거나 데이터 센터로부터 정보를 받는다. 클라우드의 내부를 들여다보면 제일 첫 번째 층에는 전원 공급 장치가 있다. 

모든 정보는 클라우드 서버에 저장된다. 이 서버가 소비자에게서 받은 정보를 저장하고 검색하는 데에는 전력이 필요하다. 이때 전원 공급 장치는 수백 와트에서부터 수천 와트에 이른다. 또한 오프 그리드로 동작하며, AC 라인 전압이 수백에서 수천 볼트에 달해 고전압 장치로 여겨진다.

이처럼 고전압, 고전력 장치이기 때문에 작업자의 안전을 확보하는 것이 급선무다. 서버 시스템은 전압 레귤레이션과 통신을 위한 컨트롤러, HMI(Human-Machine Interface)와 같은 저전압 유닛을 포함하고 있다. 클라우드 운영에 관여하는 작업자들은 HMI를 통해 서버와 상호 작용한다. 

고전압 유닛에서 HMI로 전류가 유입되거나 누출되면 사람에게 치명적인 상해를 가할 수 있다. 또한 모든 전압 디바이스들도 손상될 것이다. 그렇다면 이와 같은 전류로부터 사람과 저전압 유닛들을 어떻게 보호해야 할까.

이에 대한 해결책이 바로 절연이다. 반도체 IC인 절연 디바이스는 고전압 유닛과 저전압 유닛 사이에 데이터 및 전력 전송을 가능하게 하는 동시에, 낙뢰와 같은 위험한 DC 또는 통제되지 않은 과도 응답 전류가 전력망으로 유입되는 것을 방지한다.

안전성 요구를 충족하는 동시에 증가하는 정보 수요를 따라잡기 위해서는 두 가지 방법을 생각해 볼 수 있다. 전력 밀도를 높이고 절연 견고성을 달성하는 것이다. 전력 밀도를 높이려면 전원 공급 장치의 효율을 크게 향상시키고, 전력 전송 비율(kHz 단위의 스위칭 주파수)을 높여야 한다. 

이렇게 하면 전원 공급 장치를 더 소형화할 수 있다. 절연 견고성을 달성하기 위해서는 시스템에 아이솔레이터를 포함시켜야 하는데, 고속 게이트 드라이버와 같이 주요 전원 부품에 아이솔레이터를 통합한 솔루션을 사용하면 전원 공급 장치 보드의 면적을 절약할 수 있다. 이러한 솔루션이 바로 ‘절연 게이트 드라이버’이다.

전원 공급 장치 유닛에 드라이버 제품으로 UCC21520을 사용하면 서비스 제공업체들이 데이터 센터나 기지국의 성능을 향상시키고 동일한 크기로 더 높은 용량을 처리할 수 있게 된다. 결국 ‘왜 클라우드를 절연해야 하는가?’라는 질문에 대한 답은, ‘절연을 통해 높은 전력과 전압을 차폐하기 위해서’라고 할 수 있다. 

김희성 기자 (npnted@hellot.net)