자동차 전동화에서 NTC 서미스터 및 크리스탈 유닛의 적용

자동차 전동화와 지능화가 급속히 발전함에 따라 차량 내 전자 부품의 역할이 점점 더 중요해지고 있습니다. 그중 NTC 서미스터(음의 온도 계수 서미스터)와 크리스탈 유닛(타이밍 장치 크리스탈)은 각각 온도 모니터링과 주파수 동기화에서 필수적인 역할을 하고 있습니다. NTC 서미스터는 주로 배터리 관리 시스템(BMS), 모터 및 전력 전자 열 관리를 비롯하여 충전 시스템 보호 및 실내 온도 제어에 사용되며, 가변적인 온도 조건에서도 안정적인 차량 작동을 보장하고 시스템의 안전성과 에너지 효율성을 향상시킵니다. 반면 크리스탈 유닛은 차량 내 통신(CAN, Ethernet, V2X), 자율주행 레이더 및 카메라 모듈, 전력 전자 제어 및 인포테인먼트 시스템을 위한 정밀한 주파수 신호를 제공해 시스템 간의 데이터 동기화와 신뢰성 있는 운용을 보장합니다. 본 문서에서는 NTC 서미스터와 크리스탈 유닛의 자동차 전동화에서의 응용 및 개발 그리고 Murata가 제공하는 관련 솔루션에 대해 살펴봅니다.

NTC 서미스터는 온도 변화에 민감한 저항기로, 온도가 증가함에 따라 저항이 감소하는 특성을 가지고 있습니다. 이러한 특성은 온도 측정, 보상, 보호와 같은 애플리케이션에 적합하게 만듭니다. NTC 서미스터는 높은 감도를 지니고 있어 온도 변화에 빠르게 반응할 수 있습니다. 또한, 넓은 온도 범위를 특징으로 하여 저온 및 고온 환경 모두에 적용할 수 있습니다 (-50°C에서 300°C). 높은 안정성을 가지고 있어 장기간 사용에 이상적이며, 최소한의 오차를 제공하고 고신뢰성을 가진 소형 크기로 임베디드 회로나 공간 제약이 있는 애플리케이션에 적합합니다.

자동차 산업의 전동화로 인해 NTC 서미스터는 모터 및 전자 시스템의 안전과 안정적인 작동을 보장하기 위해 온도 모니터링 및 관리에 널리 사용되고 있습니다. NTC 서미스터는 주로 전기차(EV) 및 하이브리드 전기차(HEV)의 리튬 배터리 팩 온도를 모니터링하기 위해 배터리 관리 시스템(BMS)에 적용됩니다. 이를 통해 배터리가 안전한 범위 내에서 작동하도록 하여 과열 또는 저온으로 인한 성능 및 수명에 영향을 미치는 것을 방지합니다. 또한, NTC 서미스터는 배터리 관리 컨트롤러(BMC)와 함께 작동하여 정밀한 온도 보상 및 과열 보호를 달성할 수 있습니다.

한편, NTC 서미스터는 모터 및 인버터의 온도 모니터링에 사용될 수 있으며, 모터 권선 및 전력 전자 장치 (예: IGBT 모듈)의 온도를 추적하여 과열 손상을 방지함으로써 시스템 효율과 수명을 향상시킵니다. NTC 서미스터는 충전 시스템의 온도 보호에도 적용될 수 있습니다. DC 고속 충전과 AC 저속 충전 시스템 모두에서 충전소와 차량 내 충전 모듈의 온도를 모니터링하여 회로 과열 손상을 방지하고, 전력 관리 IC(PMIC) 및 전력 장치(MOSFET, IGBT)가 안전한 온도 범위 내에서 작동하도록 보장합니다.

공조 및 캐빈 편의 시스템에서 NTC 서미스터는 자동차 좌석 히터 및 HVAC(난방, 환기 및 공조) 시스템에서 쾌적한 차량 내부 온도를 유지하고 에너지 효율성을 향상시키는 데 사용됩니다. LED 조명 및 전자 장치 열 관리의 경우, NTC 서미스터는 LED 헤드라이트와 차량 내부 디스플레이 스크린에서 온도를 모니터링하여 과열로 인한 밝기 및 수명에 영향을 미칠 수 있는 문제를 방지하는 데 사용됩니다.

NTC 서미스터는 자동차 전기화에서 온도 감지, 과열 보호 및 에너지 효율 최적화에 중요한 역할을 합니다. 전기 자동차 기술이 발전함에 따라, 고정밀, 소형화 및 고온 저항성을 가진 NTC 서미스터는 자동차 전자 시스템에서 필수 부품이 될 것입니다.

자동차 시장에서 자율 주행 및 IoT 기술의 발전으로 전자 부품 설치 수가 계속 증가하면서 회로 기판 밀도가 높아지고 있습니다. 게다가, ADAS/TELEMATICS 기기가 더욱 기능적으로 발전함에 따라 전자 부품 부하 증가로 인한 발열 문제가 더욱 심각해지고 있습니다. 따라서 과열 감지 및 온도 모니터링에 대한 수요가 계속 증가하고 있습니다.

Murata는 오랜 기간 축적된 공정 기술 전문성을 활용하여 높은 신뢰성을 자랑하는 0603M 크기(0.6 x 0.3 x 0.3mm)의 NCU 시리즈를 포함한 일련의 NTC 서미스터를 소개했습니다. 이전 모델(1005M 크기)과 비교해 이 서미스터는 부피가 약 80% 감소했으며, 장착 면적은 약 70% 줄어들었습니다. 시장 요구 사항에 빠르게 대응함으로써 Murata는 고밀도 장착과 소형화와 같은 고신뢰성 요구를 더욱 충족시키고 있습니다.

NCU 시리즈 SMD 타입 NTC 서미스터는 자동차 온도 감지 애플리케이션을 위해 설계되었으며, 자동차 시장의 까다로운 요구를 충족하기 위해 높은 신뢰성을 제공합니다. 이들은 넓은 온도 범위에서 온도 감지 및 보상이 가능합니다.

NCU 시리즈는 표준 및 자동차용 애플리케이션 제품 라인을 포함한 NCU03 시리즈를 특징으로 합니다. 자동차 등급 모델은 자동차의 파워트레인 및 안전 장비에 사용할 수 있습니다. NCU03 시리즈는 0.6 x 0.3mm (0.2 x 0.1 inches)의 크기를 가지며, 25°C에서 10kΩ의 저항값과 ±1%의 허용오차를 제공합니다. NCU15 시리즈는 1.0 x 0.5mm (0.4 x 0.2 inches)의 크기를 가지며, 25°C에서의 저항값이 33kΩ에서 470kΩ까지 다양하며 허용오차는 ±1%에서 ±5%까지 다양한 제품 변형을 제공합니다. 이와 유사하게 NCU18 시리즈는 1.6 x 0.8mm (0.6 x 0.3 inches)의 크기를 가지며, 25°C에서의 저항값이 10kΩ에서 470kΩ까지 다양하고 허용오차는 ±0.5%에서 ±5%까지 다양하여 다양한 애플리케이션 요구를 충족합니다.

Murata는 자동차 애플리케이션, 특히 전력 모듈을 위한 혁신적인 온도 감지 솔루션을 제공하기 위해 설계된 최신 NTC 서미스터 시리즈, FTI 시리즈를 소개합니다. 이 첨단 칩형 서미스터는 전기 절연을 제공하면서 극한 온도 조건에서도 높은 성능을 보장하는 수지 몰딩 방식으로 제작되었습니다.

FTI 시리즈는 -55°C에서 175°C까지의 넓은 온도 범위에서 신뢰할 수 있는 작동을 제공하여 SiC MOSFET 및 IGBT 모듈 근처의 까다로운 애플리케이션에 이상적입니다. 직접 와이어 본딩이 가능한 상부 전극이 장착된 이 서미스터는 전력 반도체 장치 가까이에 장착할 수 있어 열 응답 정확성을 크게 향상시킵니다. 또한, 레진 몰딩은 기판과 내부 구성 요소 간의 전기적 절연을 보장하여 전력 반도체와 함께 고전압 전극에 안전하게 통합될 수 있도록 합니다.

크리스탈 유닛(Timing Device Crystal)은 안정적인 주파수(Clock) 신호를 제공하는 구성 요소로, 주로 전자 회로에서 시간 참조 및 동기화 제어에 사용됩니다. 크리스탈 유닛의 주요 기능에는 높은 안정성을 갖추고 있어 정확하고 안정적인 주파수를 제공하여 회로 시스템이 적절히 작동하도록 보장합니다. 또한 낮은 전력 소비를 특징으로 하여 배터리 전원을 사용하는 응용 제품에 적합하며 낮은 에너지 요구 사항을 갖습니다. 또한 간섭 저항성을 갖추고 있어 다양한 환경 조건에서도 신뢰할 수 있는 발진 주파수를 유지할 수 있어 자동차 애플리케이션과 같은 가혹한 환경에 적합합니다. 뿐만 아니라 특정 크리스탈 유닛(TCXO, 온도 보상 크리스탈 발진기)과 같이 넓은 온도 범위에서 높은 주파수 안정성을 제공할 수 있는 온도 보상을 제공합니다.

자동차 전자 제품 및 전기화 기술의 급속한 발전에 따라 크리스탈 유닛은 자동차 전자 시스템의 핵심 부품 중 하나가 되었습니다. 주요 응용 분야로는 CAN (Controller Area Network), LIN (Local Interconnect Network), Ethernet와 같은 자동차 통신 및 네트워킹 시스템이 포함됩니다. 이 차량 내 통신 프로토콜은 데이터 전송의 안정성과 동기화를 보장하기 위해 정확한 주파수 신호가 필요합니다. 또한, 5G V2X (Vehicle-to-Everything) 통신과 같은 기술은 고속 차량 네트워킹 응용 프로그램을 지원하기 위해 초저지터 및 고안정 주파수 참조 소스를 필요로 합니다.

ADAS(첨단 운전자 지원 시스템) 및 자율주행 애플리케이션에서 레이더 및 LiDAR 시스템은 데이터 처리 동기화를 위해 고정밀 주파수를 필요로 하며, 이를 통해 탐지 거리와 해상도를 개선합니다. 카메라 및 이미지 처리 장치(ISP, 이미지 신호 프로세서) 역시 이미지 데이터와 차량 제어 장치(ECU)의 동기화를 보장하기 위해 안정적인 주파수를 필요로 합니다.

배터리 관리 및 전력 전자 제어 시스템을 위해 배터리 관리 시스템(BMS)은 배터리 충전 및 방전 상태를 모니터링하고 관리하여 배터리의 안전성과 수명을 보장하기 위해 정밀한 주파수 제어가 필요합니다. 모터 및 인버터 제어에서는 전력 전자 부품(IGBT 및 MOSFET 등)의 동기화된 작동을 보장하기 위해 신뢰할 수 있는 주파수가 필수적이며, 에너지 효율을 향상시키고 전자기 간섭(EMI)을 줄이는 데 도움을 줍니다.

한편, 차량 내 인포테인먼트(IVI) 시스템에서는 차량 내 내비게이션(GPS/GNSS) 시스템이 위치 정확성을 보장하기 위해 고정밀 주파수 동기화를 필요로 합니다. 디지털 대시보드와 차량 내 디스플레이는 원활한 시각효과와 데이터 동기화를 유지하기 위해 안정적인 주파수를 필요로 합니다.

EV (전기차) 충전 관리에서 DC 급속 충전 및 무선 충전 시스템은 전력 전송 및 통신 프로토콜(예: Power Line Communication, PLC)을 위한 정밀한 주파수 동기화가 필요하며, 이를 통해 효율적이고 안전한 충전 프로세스를 보장합니다.

크리스털 유닛은 자동차 전동화 응용 분야에서 중요한 역할을 하며, 차량 내 통신, 자율 주행, 배터리 관리, 인포테인먼트 및 충전 제어에 포함됩니다. 전기차 및 스마트 드라이빙 기술이 계속 발전함에 따라 안정성이 높고 고온 내성 및 진동 내성이 뛰어난 크리스털 유닛에 대한 수요는 계속 증가할 것입니다.

크리스탈 유닛은 크리스탈의 압전 효과를 이용하여 특정 주파수를 생성합니다. 이들은 IC 및 LSI에서 클록 신호를 제공하는 데 필수적이며 높은 주파수 안정성, 튜닝이 필요 없는 점, 그리고 컴팩트한 크기를 제공합니다. 현재 크리스탈 공진자는 위성 및 이동통신뿐만 아니라 자동차, 텔레비전, 컴퓨터, DVD 플레이어에 널리 사용되어 다양한 응용 요구를 충족합니다.

Murata의 CERALOCK 크리스탈 유닛은 독자적인 패키징 기술을 활용하여 우수한 품질, 대량 생산 가능성, 경제성을 제공합니다. Murata의 자동차용 크리스탈 유닛은 Ethernet/FlexRay와 같은 차세대 차량 내 통신 표준의 요구를 충족하며, 6 pF, 8 pF, 10 pF의 부하 캐패시턴스(Cs)를 지원합니다. 제품 라인업에는 고드라이브레벨(600 μW) 옵션 및 +125°C/+150°C로 정격된 모델도 포함됩니다.

자동차 이더넷(Ethernet, PHY)의 경우, Murata의 크리스털 유닛은 ±85 ppm 표준을 지원하며, FlexRay의 경우 ±250 ppm을 지원합니다. 이 제품은 자동차 신뢰성 표준(AEC-Q200)을 준수하며, 고온 저장(+125°C, 1000시간), 온도 사이클링(-55°C에서 +125°C, 1000사이클), 습도 테스트(+85°C, 85% RH, DC 6V, 1000시간), 고온 부하 테스트(+125°C, DC 6V, 1000시간)와 같은 엄격한 테스트를 거칩니다.

Murata의 크리스털 유닛은 ECU 소형화에 적합한 컴팩트하고 높은 신뢰성을 갖춘 패키징을 특징으로 합니다. 예를 들어, 2.5 x 2.0 mm 및 2.0 x 1.6 mm 크기는 3.2 x 2.5 mm 크기와 비교하여 60% 이상의 크기 감소를 제공합니다. CERALOCK 공진자는 또한 충격 및 낙하 저항을 포함하여 뛰어난 기계적 및 기후 저항성을 자랑합니다.

추가로, Murata는 생산 중에 독자적인 입자 스크리닝 기술을 적용하여 성능을 저하시킬 수 있는 불량 유닛을 식별하고 제거합니다. 설계는 또한 자동 광학 검사(AOI)를 용이하게 하며, 솔더 필렛 가시성을 향상시키는 코너 전극 형상을 제공합니다.

Murata의 자동차 크리스탈 유닛 라인업에는 XRCGE_M_F, XRCGB_F_C, XRCGE_F_A, XRCGA_F_A 및 XRCGB_F_A 시리즈가 포함되어 있으며 다양한 자동차 애플리케이션에 적합합니다.