높아지는 친환경 고효율 전자 기기 수요
전류 센서에 대한 고정밀 요구사항 커져
인피니언, 다양한 영역 고효율 센서 제공


전자 기기 수요가 크게 늘면서 전년 대비 올해 집적회로(IC) 출하량은 21% 급증할 전망이다. 전자 기기의 숫자가 느는 것은 발전 수요도 증가한다는 의미다. 세계 주요 각국은 탄소 배출을 줄이기 위해 친환경 정책을 속속 입안 중이며, 전자 업계에선 최대한 고효율의 제품을 만들기 위해 고심하고 있다.

내연기관차는 탄소 배출 증가의 주요 원인으로 지목되어 유럽연합(EU)은 2050년까지 완전 퇴출을 결의했다. 중국은 자국 자동차 산업의 미래를 전기차에 걸고서 지원금을 아끼지 않고 있다. 또한, 자동차 탑승 경험을 향상하기 위해서 각종 전자 제품이 탑재되는 등 차량의 전동화와 전장화가 동시에 이뤄지고 있다.

친환경, 고효율 애플리케이션을 개발하는 것이 시대적 과제로 두각을 드러내는 가운데 전류 센서 역시 3세대 반도체의 등장에 변화의 지점에 놓여있다.

전류 센서는 전류에 의해 발생하는 자기장을 측정하여 전류의 크기와 방향을 감지하는 제품이다. 오늘날 전류 센서는 산업용 태양광 인버터, 모터 드라이브, 서버 및 통신 전원 장치 등은 물론, 자동차의 메인 드라이브, 인버터, 배터리 관리 시스템 및 전기차 충전 시스템 등의 애플리케이션에 사용되고 있다.

이들 애플리케이션은 고효율 추세에 따라 전류 센서에 전보다 높은 정밀도를 요구하고 있으며, SiC, GaN 같은 새로운 소재의 반도체를 사용하는 전력 소자들이 늘어남에 따라 더욱 낮은 기생 인덕턴스를 가진 제품을 원하고 있다.

본지는 인피니언 코리아 오토모티브 사업부에서 자력·압력 센서 기술 지원을 담당하는 김세환 차장에게 오늘날 전류 센서 시장 동향과 제품에 관해 물었다.



Q. 최근 전류 센서 시장의 동향은 어떻습니까?

A. 과거에는 션트(Shunt) 저항을 이용하거나, 자기 집자 코어를 활용하여 전류를 측정하는 코어 타입 전류 센서가 많이 사용되었습니다.

그러나 션트 저항은 고전압 영역에서 직접 측정하는 방식이라 갈바닉 절연(Galvanic Isolation)을 만족하지 못했으며, 코어 타입은 코어에 의한 무게와 이력 현상(Hysteresis), 비선형성 등에 의한 전류 측정 오차가 문제였습니다.

이를 극복하기 위해 반도체 기반의 고정밀 코어리스 전류 센서 솔루션이 시장에 출시되고 있으며, 이들 제품이 전류 센서 시장의 주류가 될 것으로 예상됩니다.



Q. 최근 SiC, GaN 기반의 3세대 반도체가 보급 중인데, 이들 제품이 더욱 낮은 기생 인덕턴스를 가진 전류 센서를 요구하는 이유는 무엇입니까?

A. 실리콘카바이드(SiC)와 갈륨나이트라이드(GaN) 기반 반도체는 기존 실리콘(Si) 기반 반도체보다 항복 전압이 높고 온저항이 낮아 고전압, 고주파수 스위칭 조건에서도 안정적으로 동작합니다. 기존 Si 반도체 대비 크기를 최대 50% 축소할 수 있고, 전력 효율을 5~7% 정도 높일 수 있다고 알려져 있습니다.

반면, 고전압 고주파수 스위칭 조건에서는 Si 대비 기생 임피던스에 의한 손실이 커서 더욱 낮은 기생 임피던스가 요구됩니다. 가령, 인피니언의 ‘TISON-8’ 전류 센서 제품은 내부에 전류 패스를 가졌고, PCB 상에서 1nH 미만의 기생 임피던스를 보장하여, SiC, GaN 등 차세대 반도체의 요구사항을 만족합니다.



Q. 인피니언의 산업용 ‘TLI4971’ 전류 센서는 어떤 제품입니까?

A. TLI4971 제품은 패키지 내부에 전류 레일이 있습니다. 일반적으로 차동 홀(Differential hall) 방식을 사용해 외부 자기장 영향을 최소화했습니다. 여기에 240kHz 아날로그 출력을 지원하며, 출력 모드로 단동(Single ended), 반 차동(Semi-differential), 완전 차동(Full-differential) 3가지를 지원합니다.

또한, 내부의 독립적인 과전류 측정이 가능하고, 2개의 OCD 출력으로 과전류를 감지합니다. 하키 스틱 형태로 설계된 내부 전류 레일은 220µΩ 수준의 낮은 저항과 1nH 미만의 기생 임피던스를 가져 타사 제품 대비 온도 변화가 적으며, 높은 전류 조건에서 안정적인 동작을 보장합니다.

인피니언은 25A, 50A, 100A, 120A 등 4가지 전류 영역에 맞게 조정된 표준 제품을 제공합니다. 내부 EEPROM을 통해 고객이 직접 전류 영역을 조정할 수도 있습니다. TLI4971 제품은 AC/DC 모두 측정 가능하며, 산업용 인버터, 통신 장비, 모터 드라이브, ESS(Energy storage system) 등에 사용할 수 있습니다.



Q. 차량용 전류 센서도 양산 예정이라 들었는데, 소개 부탁드립니다.

A. 인피니언은 현재 ‘TLE4971, TLE4972’ 전류 센서의 양산을 준비 중입니다.

TLE4971 제품은 앞서 설명해 드린 TLI4971 제품의 차량용 제품입니다. 차량용 제품에 맞게 AEC-Q100 인증을 받았고, 양산시 차량 등급에 맞는 추가 테스트를 진행하는 제품입니다. 기본적인 성능과 기능은 TLI4971 제품과 같습니다.

TLE4972 제품은 외부 전류 레일로 전류를 측정하는 제품입니다. 최대 2000A 영역의 측정도 가능해 고전압 차량용 인버터에 사용할 수 있습니다. PCB 위 200A 전류 측정은 물론, 외부 버스바의 400~2000A 전류 측정이 가능합니다.

인피니언은 각 전류 영역에 맞는 형태의 적용·설계 방안을 제안하고 있습니다. 특히 차량용 제품은 기능 안전 사양으로 개발되어 ASIL-B 등급을 만족합니다.



Q. 담당하는 전류 영역에 따라 전류 센서의 패키지도 다릅니까?

A. TLI4971과 TLE4971은, TISON-8 패키지 제품으로, 반도체 패키지 상에 내부 전류 레일을 가지고 있어, 최대 사용 가능한 전류 영역은 120A로 제한됩니다.

TLE4972의 경우, 고전류 영역에서의 사용을 위해 외부 전류 레일을 활용하며, SMD 타입의 TDSO-16 및 리드리스(Lead-less) VSON 패키지로 공급됩니다.



Q. 인피니언이 제공하는 전류 센서 관련 추가 솔루션과 서비스는?

A. 우선 인피니언 전류 센서는 내부에 EEPROM을 가지고 있어, 고객이 상황에 맞게 전류 영역, 출력 타입, 과전류 문턱값, 전류 글리치 필터 등을 설정하도록 지원하는 프로그래밍 키트와 GUI를 지원합니다.

PC USB 기반의 평가 키트(Shield2Go, 2GO)와 소프트웨어도 제공하고 있습니다. 특히 TLE4972 제품은 버스바 설계가 전류 센서 사용에 있어 중요한 부분이기 때문에 관련된 시뮬레이션과 최적화된 설계를 제안 중입니다.



Q. 향후 전류 센서 시장에서 인피니언의 계획은 무엇입니까?

A. 전류 센서 시장은 친환경 전동화 추세에 맞춰 더욱 커질 전망입니다. 인피니언은 고객 관점에서 좀 더 사용하기 쉽고, 가격대가 다양한 제품군을 추가적으로 양산할 계획입니다. 자세한 내용은 현재는 밝히기 어렵지만, 좀 더 쉬운 프로그래밍 접근과 진단 처리를 위한 추가 기능을 포함할 예정입니다.



3세대 반도체 상용화에 발맞춰 정밀도가 개선된 오늘날의 산업용, 차량용 전류 센서의 특징과 함께 다양한 전류 영역에 따른 전류 센서 적용 방안에 대해 알아보는 인피니언 웨비나가 오는 9월 7일(화) 오전 10시 30분에 진행될 예정이다.