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350kW 대의 급속 DC 충전기를 설계할 때의 고려사항

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글/Pradip Chatterjee, 인피니언 테크놀로지스

머리말

자동차 운전자들은 지난 수십 년 동안 어디서나 편리하게 주유를 하는 것에 익숙해져 있다. 여행 계획을 짤 때 주유소 위치까지 고려해야 한다는 생각은 하지 않는다. 하지만 배터리 전기차(BEV)를 구입하거나 렌트하려고 할 때는 문제가 달라진다. 일상 생활에서 대개의 경우에는 자동차를 사용하는 거리가 BEV의 주행 거리 이내이지만, 주말 여행이나 휴가 같이 예외적인 경우에는 또 다르다.
BEV를 집에 주차시켜 놓을 때는 밤새 천천히 충전할 수 있다. 또 많은 도시들에서 공공 충전소를 확충하고 있으므로 쇼핑을 하는 동안에 차를 충전할 수 있다. 하지만 전기차 보급을 가속화하기 위해서는 장거리 주행의 경우에 충전 시간을 내연 엔진 차와 근접한 수준이 되게 해야 할 것이다. 22kW 가정용 AC 충전기는 약 200킬로미터 거리를 주행하도록 충전하기 위해서 120분이 걸린다. 이 시간을 7분대로 단축하기 위해서는 350kW가 가능한 급속 DC 충전기가 필요하다.

표준화 진전

전세계적으로 표준화 기구 그룹들에서 고전력 충전기(HPC)와 관련해서 전력대와 충전 시퀀스부터 통신과 커넥터에 이르기까지 모든 것을 정의하고 있다. 유럽과 미국에서는 이해 당사자들이 CharIN과 CCS(Combined Charging System) 쪽으로 뭉치고 있다. 다른 지역들에서도 각자 개발을 하고 있다. 일본의 CHAdeMO와 중국의 GB/T를 들 수 있다. 일부 자동차 회사들은 자체적인 충전 솔루션을 개발하고 있기도 하다.
그러므로 이러한 시장을 충족하기 위해서는 모듈러 방식의 접근법이 필요하다. 그럼으로써 공통적인 하우징이나 냉각 같이 최종 솔루션의 일부 측면들을 재사용하면서 커넥터, 케이블, 전력 반도체 같은 것들은 목표 시장의 요구에 따라서 선택할 수 있다.

급속 DC 충전기 용의 전력 반도체

급속 충전 HPC 충전소는 전력 공급을 위해서 전용적인 저전압대 또는 중간 전압대(LV/MV) 인프라가 필요할 것이다. 이러한 충전소는 주로 고속도로 휴게소나 도시의 주요 지점에 설치될 것이다. 들어오는 AC 전원을 절연 변압기로 공급하고, 변압기의 이차측을 DC로 변환한다. 이를 위해서 이중 이차 ? 및 Y 권선을 채택한 변압기의 인기가 높아지고 있다.
이 위상 변압기는 직렬 또는 병렬로 동작하는 멀티 펄스 정류기를 결합해서 입력에서의 고조파 성분을 감소시킨다. DC/DC 스테이지로 선택한 토폴로지를 통해서 절연이 제공된다고 하더라도 이러한 디자인에는 변압기가 필요하다.  변압기를 사용해서 고조파 성분을 향상시킬 수 있기 때문이다. 이 때 가장 먼저 해야 할 설계 결정은 공통 AC 버스 접근법을 사용할지 공통 DC 버스 접근법을 사용할지 하는 것이다.
공통 AC 버스 접근법은 트랜스포머 이차측이 다중의 AC/DC 정류 스테이지로 공급하고, 여기서 다시 각자의 DC/DC 스테이지로 공급한다. 이 방법은 충전기의 전반적인 디자인을 간소화할 수 있다. 하지만 AC/DC 스테이지를 여러 개 필요로 하고, 그러므로 필터, 제어 스테이지, 센싱을 여러 개 필요로 하므로 총 비용을 증가시킨다. 현재는 V2G(vehicle-to-grid)나 V2B(vehicle-to-building) 같이 에너지를 전력망으로 되돌려 보내는 기능이 의무적이지 않다. 하지만 이 기능이 의무화된다면 이 접근법은 비용과 복잡성이 더 늘어나게 될 것이다.
공통 DC 버스 접근법은 단일 AC/DC 스테이지를 사용해서 DC 출력을 발생시키고 이것을 사용해서 모든 DC/DC 스테이지를 공급한다. 많은 경우에 이 방법이 더 적합하다. 부품 수와 비용을 낮추고 전반적인 효율을 향상시킬 수 있기 때문이다. 또 V2G와 V2B가 의무화되었을 때 더 수월하게 개조를 할 수 있다. 또 DC 버스는 더 손쉽게 다른 에너지 시스템(로컬 배터리 저장, 태양광 등)과 통합할 수 있다. 또 현행 DC 충전기 표준들은 충전소 중앙에서 다수 배터리 충전기의 active front end로 동작하는 개념을 지원한다. 단점은 이처럼 고전력 정격 active front end를 지원하기 위해서 크기가 커진다는 것이다.
2~3MW 전력을 공급하기 위한 충전소는 공통 DC 버스가 더 적합하다. 이를 사용해서 6개에서 8개까지 고전력 DC/DC 충전 스테이지를 공급할 수 있다.

AC/DC 정류

최신 전력 트랜지스터 기술에 고성능 마이크로컨트롤러(MCU)와 디지털 신호 프로세싱(DSP)을 결합함으로써 고도로 효율적인 AC/DC 정류 회로를 구현할 수 있다. 이 회로를 사용해서 전력망으로부터 사인파 전류 인출, 낮은 고조파 왜곡(THDi ≤ 5퍼센트), 유효 전력 및 무효 전력 흐름 개별 제어, 높은 동적 제어가 가능하다. 단위 역률로 동작함으로써 전력망으로부터 무효 전력 소모가 일어나지 않는다. 또 선택한 토폴로지로 지원되는 경우라고 했을 때, 비교적 간편하게 AC 측과 DC 측 사이에 양방향 전력 흐름이 가능하다.
가장 널리 사용되는 토폴로지는 2레벨 전압 소스 컨버터(2L-VSC)이다. 주로 IGBT나 실리콘 카바이드(SiC) MOSFET 형태로 6개 스위칭 디바이스와 DC 링크로서 커패시터를 사용해서 입력 위상 전압보다 높은 출력 전압을 발생시킨다. 이 active front end 역시 양방향 에너지 흐름을 지원하며 역률을 완벽하게 조절 가능하다. 스위칭 기법은 펄스폭 변조(PWM)나 공간 벡터 변조(SVM)를 사용할 수 있다.
이 회로를 단일 패키지 1200V CoolSiC™ MOSFET 모듈 FS45MR12W1M1_B11을 사용해서 손쉽게 구현할 수 있다(그림 1). 이 모듈은 EasyPACK™ 1B 패키지로 6개 스위칭 디바이스와 NTC 온도 센서를 포함한다. EasyDUAL™ 1B 패키지를 적용한 FF11MR12W1M1_B11 같은 하프 브리지 솔루션을 사용할 수도 있다. 이들 모듈 제품은 25~45kHz 스위칭 주파수로 60~100kW를 지원한다.

[그림 1] 단일 1200V CoolSiC™ MOSFET 모듈을 사용해서 active front end를 손쉽게 구현할 수 있다.

양방향 전류 흐름이 필요할 때는 3위상 3레벨 비엔나 정류기가 인기가 높아지고 있다. 3개 능동 스위치만을 필요로 하며 듀얼 부스트 PFC(power factor correction)를 제공한다. 제어 회로로 오작동이 발생된 경우에 출력이나 프론트 엔드로 단락 회로를 방지하고 한쪽 입력 위상이 없어도 동작할 수 있다. 디스크리트 부품을 사용하면 어셈블리 작업이 까다로워지므로, 이러한 고전력 애플리케이션으로 통합적인 전력 모듈 제품이 점점 더 많이 사용되고 있다.
Easy 2B 패키지를 적용한 F3L15MR12W2M1_B69 같은 SiC 모듈을 사용해서는 대칭 부스트 PFC 비엔나 정류기를 구현할 수 있다(그림 2). 이 모듈 제품은 2개 1200V 고속 정류 다이오드, 2개 1600V 저속 정류 다이오드, 2개 1200V 15m? MOSFET을 포함한다. 이러한 Easy 2B 패키지를 3개를 결합해서 컴팩트한 고전류 저손실 디자인을 손쉽게 달성할 수 있다(그림 3).

[그림 2] Easy 2B 패키지를 적용한 하프 브리지 모듈로서 F3L15MR12W2M1_B69는 비엔나 정류기에 사용하기에 적합하다.

다양한 DC 충전 전압 지원

DC 충전기에 관한 CharIN 규격에서는 200V~920V의 출력 전압, 최대 500A, 최대 350kW의 전력대로 정의하고 있다. 이러한 요구를 충족하기 위해서는 절연형과 비절연형을 비롯한 다양한 DC/DC 토폴로지를 사용할 수 있다.
어떤 토폴로지를 선택하느냐에 상관없이 몇 가지 공통적으로 요구되는 것들이 있다. 특히 중요한 것이 물리적 크기와 전체적인 비용이다. 전자기 간섭 요건을 충족하는 것도 중요하다. 제로 전압 또는 제로 전류 스위칭(ZVS/ZCS), 최대의 효율, 고전력 요구 또한 중요한 고려사항이다. 또 배터리 발열을 피하기 위해서는 출력으로 전압과 전류 둘 다 리플을 낮추는 것이 중요하다.
풀 브리지 LLC 공진 컨버터 같이 고주파수(HF) 절연형 트랜스포머를 사용한 토폴로지는 공진 주파수로 효율이 높다는 점으로 잘 알려져 있다. 또한 ZVS 일차측 스위치와 ZCS 이차측 다이오드를 사용하기 때문에 크기가 컴팩트하다. 단점은 원하는 넓은 출력 전압 범위를 지원하기 위해서 충전기 개발 작업이 매우 까다롭다는 것이다.
그리드 트랜스포머를 사용해서 갈바니 절연이 보장되므로 100kW 이상의 전력 출력일 때 비절연형 벅-부스트 컨버터를 사용할 수 있다. 이 기법은 다위상 구성의 경우에 최대 98.5퍼센트 효율을 달성할 수 있다. 또 전압 펄스 편이로 인한 전류 맥동을 크게 줄일 수 있다. 모듈러 디자인이므로 원하는 출력, 성능, 물리적 형태에 따라서 규모나 동작 파라미터를 조절할 수 있다.

[그림 3] Easy 2B 비엔나 정류기 위상 레그 모듈을 사용한 고효율 60kW 디자인

열 관리

오늘날에는 전력 컨버터로 놀랄 만큼 뛰어난 효율을 달성할 수 있게 되었다. 그렇기는 하나 효율이 1퍼센트만 떨어진다고 하더라도 급속 DC 충전기를 최대 전력으로 동작하는 경우에 3.5kW의 전력이 열로 낭비되는 것이다. 여기에 더해서 케이블이 1미터의 길이마다 100W의 추가적인 손실을 일으킨다. 그러므로 HPC는 열 관리를 위해서 강제 공기 냉각 말고 그 이상의 것을 필요로 한다. 전력 반도체뿐만 아니라 커넥터와 케이블까지도 액체 냉각으로 바꾸는 것이 필요하다.
그런데 많은 액체 냉각제는 인화성, 변질, 부패, 독성 같은 문제가 있을 수 있다. 오늘날 물-글리콜 혼합액이 케이블과 커넥터 모두에 인기 있는 냉각제로 사용되고 있다. 또 3M™ Novec™ 같이 유전성 냉각제가 개발되어서 ITT Cannon HPC에 성공적으로 채택되고 있다. 충전소 구성에 따라서 이러한 냉각 시스템에 더해서 개별적이거나 중앙에 열 교환기를 사용할 수 있다.

맺음말

BEV를 보급하기 위해서 시급한 과제가 충전 인프라를 확충하는 것이다. 기존 충전망을 늘리는 것도 필요하지만, 장거리 주행 시에 거리 불안감을 없애기 위해서는 급속 DC 충전 HPC에 대한 투자가 필요하다. 액체 냉각이 열 관리를 위해서 중요한 요소가 될 것이다. 또 열 관리를 위해서는 전력 토폴로지와 부품들이 효율이 우수하고 열 배출을 위한 기계 장치들과 손쉽게 통합할 수 있어야 한다. 또 다이오드와 스위치 같은 SiC 디바이스가 정류 스테이지부터 DC/DC 토폴로지를 거쳐서 배터리 충전 출력을 제공하기 위해서 중요한 역할을 할 것이다.