[2021년 04월 27일] - 전세계적으로 전기차 개발이 가속화되고 있다. 기업과 대중 인식 개선 여기에 이산화탄소 배출에 대한 기준 강화가 맞물리면서 발생한 효과다. 오는 2024년까지 온보드 충전(OBC) 분야에서 예상하는 성장률(CAGR)은 37.6% 이상이다.
괄목할 만한 성장의 주도권 사수를 노린 글로벌 자동차 기업에게 시스템 효율 개선 또는 토폴로지 재정의가 시급한 해결과제로 도마위에 오르는 추세다.
단상 입력 AC 시스템에 쓰이는 역률 보정(PFC) 토폴로지는 단일 채널 부스트 컨버터 형태다. 입력 AC 정류를 위한 다이오드 풀 브리지와 부하의 역률을 높이기 위한 PFC 컨트롤러 만으로 효율을 개선하며, AC 입력 전원에 발생할 수 있는 고조파도 저감한다. 결정적으로 설계 용이성, 낮은 구현 비용 및 안정적인 성능 등의 장점에 힘입어 널리 쓰인다.
그러나 다이오드 브리지 정류기의 전도 손실이 불가피하고, 차량이 AC 전력단에 전원을 다시 공급케 하는 양방향 작동을 지원하지 않는다. 다수의 부스트 회로를 인터리빙하는 기존의 멀티-채널 인터리브드 부스트 컨버터를 사용하면 일부 시스템 성능 매개 변수를 개선할 수 있지만, 입력단의 다이오드 브리지는 여전히 필요하다.
실제 PFC 내의 전력손실 분포도 차트를 통해 입력 다이오드 브리지의 전력 손실이 PFC 내의 다른 구성요소의 손실보다 큰 것이 입증됐다.
업계는 OBC 시스템의 효율성 개선 위해 PFC, 세미-브리지리스 PFC, 양방향 브리지리스 PFC, 토템 폴 브리지리스 PFC를 비롯해 서로 다른 종류의 PFC 토폴로지를 연구해왔다.
기존 실리콘(Si) MOSFET은 바디 다이오드의 역회복 특성이 좋지 않아 토템폴 PFC 토폴로지에서 연속전도모드(CCM)로 작동하기 어렵다. 실리콘 카바이드(SiC) MOSFET은 Si MOSFET에 비해 우수한 스위칭 성능과 작은 역회복 시간, 낮은 RDS(On) 및 신뢰성을 제공한다. 또한 소형의 칩 크기를 통해 디바이스에 낮은 캐패시턴스와 낮은 게이트 총전하량(QG)을 보장한다.
OBC 설계에 또 다른 어려움은 차체 내 해당 모듈을 위한 공간이 제한된 점이다.
전력 요구량과 배터리 전압은 점점 증가하고 있지만, 필요한 출력을 공급하면서 물리적인 크기의 요구 사항까지 충족하는 OBC를 설계하는 것은 점점 더 어려워지고 있다.
지금까지 엔지니어는 OBC에 사용되는 기술과 전력, 크기 및 효율성 사이의 상충되는 부분을 용인해야 했지만, SiC는 이러한 설계 상의 고충 해결에 요긴하다. 스위칭 주파수가 높은 SiC를 사용하면 엔지니어는 보다 작은 크기의 인덕터를 사용해 이전과 동일한 인덕터 리플 전류 요구량을 달성할 수 있다.
더 높은 주파수에서 스위칭 할 수 있는 기능, 증가된 전력 밀도, 더 높은 효율성, EMI 성능 개선 및 시스템 크기 감소 등은 OBC 시스템에서 SiC MOSFET 사용시 누릴 수 있는 이점이다. 오늘날에는 SiC를 널리 사용할 수 있으므로 엔지니어는 설계에 토템 폴 PFC를 포함해 성능을 향상시킬 수 있다.
이 디자인은 각각의 고속 스위칭 부에 절연형 고전류/고효율 IGBT 드라이버(NCV57000DWR2G)와 2개의 고성능 SiC MOSFET(NVHL060N090SC1)로 구성된다. 낮은 스위칭 부에는 모노리틱 하이/로우 사이드용 게이트 드라이버 IC(FAN7191_F085)에 의해 제어되는 2개의 650V N-채널 파워 MOSFET SPEPT III(NVHL025N65S3) 디바이스로 구성된다.
이러한 SiC MOSFET으로 시스템은 통상 97%의 효율성을 달성한다. 해당 설계는 다른 DC 소스 없이도 PFC 보드나 제어 보드의 모든 회로에 공급할 수 있는 비절연형 보조 전원, 하드웨어 OCP(Over-Current Protection) 및 하드웨어 OVP(Over-Voltage Protection)를 포함한다.
By 김신강 에디터 Shinkang.kim@weeklypost.kr
김현동 에디터 hyundong.kim@weeklypost.kr
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