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진화하는 전력 반도체, 전기차의 주행거리 불안 해소하는 레벨3 DC 고속 충전 구현


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글/온세미컨덕터 산업 비즈니스 개발 담당 스티븐 샤켈(Steven Shackell)


맥킨지의 조사결과에 따르면, 전기차의 판매 증가율은 약 60%로 그 보급이 빠르게 확대되고 있다. 하지만, 2018년 말까지 시장 점유율이 2.2%에 불과한 것으로 조사돼 전기차가 우세해지기 까지는 아직 갈 길이 멀어 보인다. 그러나, 자동차 제조업체들의 전기차 개발 노력에 속도가 붙고 있어 2023년까지 400개 이상의 전기차 모델이 출시될 것으로 예상된다.
휘발유와 경유로 구동되는 차량에서 벗어나지 못하게 되는 요인에는 여러가지가 있다. 구입비가 높다는 것이 가장 큰 이유 중 하나지만, 주행거리에 대한 불안도 상당 부분을 차지한다. 짧은 거리의 통근이나 집 근처 가까운 거리를 주행할 경우에는 가정용 충전기로 밤새 충전하면 문제가 없지만, 장거리 여행시, 특히 충전소가 충분하지 않거나 충전소 간 거리가 먼 경우에는 일반적인 300마일 미만의 주행거리로는 충분치 않다. 재충전에 몇 시간 이상이 소요된다면, 전기차 판매는 어려워질 수 있다. 예컨대, 테슬라처럼 완전히 방전된 100kWh 배터리를 집에서 재충전할 경우 240VAC 공급에서 최대 14시간이 소요되므로 다음날 차량을 운행하기 빠듯할 수 있다. 그러나, 충전시간을 몇 시간에서 단 몇 분으로 단축하는 고속 DC 충전기가 출시되고 있다.

레벨로 분류되는 충전기

가정, 사무실, 도로 등 상황에 따른 상이한 충전 옵션이 있으며, 이에 대한 용어 논쟁이 있지만 보통 ‘레벨 1’은 충전율이 가장 느린 일반 120VAC 가정용 콘센트(유럽의 경우 230/240VAC)를 사용하는 것을 의미한다. ‘레벨 2’는 제어 및 보호 기능이 내장된 충전소를 통해 240VAC 혹은 때로는 400VAC 3상을 활용한다. 이 역시도 가정용이지만, 더 빠른 충전율을 제공한다. 레벨 1과 레벨 2는 모두 차량 온보드 충전기를 사용하여 배터리용 DC 전압을 생성한다. 레벨 3은 일반적으로 충전소의 고정 AC-DC 컨버터에서 배터리에 직접 DC 전압 충전을 의미하며, 3상 AC 공급이 필요하다. 이를 통해 사용 가능한 최대 전력 350kW로 충전 시간을 분단위로 단축하며, 이는 내연기관(ICE) 차량의 연료 재급유에 소요되는 시간과 유사하다. 그림 1은 미국의 전기차 충전 레벨 3단계를 설명하고 있다.

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[그림 1] 미국의 충전기 레벨 및 성능

고속 충전기 기술

최대 350kW의 전력까지 제공하는 레벨 3 충전기를 설계하는 것은 매우 까다롭다. 충전에 있어 비용 절감은 최우선 고려사항이지만, 변환 효율 역시 중요한 요인이다. 낭비되는 전력은 더 높은 전기 요금을 유발하고, 배터리에 사용할 수 있는 에너지를 적게 하며, 충전시간을 지연시키고, 과도한 열 손실은 전기차의 환경적 이점을 감소시킨다. 고효율성은 냉각 장치의 요구사항을 경감하여 비용과 크기를 줄이는데 도움이 된다. 그림 2는 주요 요소를 중심으로 일반적인 DC 고속 충전기를 설명하고 있다.

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[그림 2] 일반 고속 DC 충전기

고전력 레벨에서 3상 AC 정류 및 PFC(power factor correction)은 일반적으로 비엔나 정류기(Vienna rectifier)로 구현된다. 이는 두 가지 다른 형태로 구성될 수 있다(그림 3 참고). 토폴로지 1은 부품 수가 적고 효율성이 가장 높지만, 다이오드는 상대적으로 고가인 1200V 유형이어야 하며, 6개의 스위치에 대해 복잡한 제어가 필요하다. 그러나 토폴로지 2는 제어가 덜 복잡한 3개의 스위치만 사용하고, 600V 급의 다이오드는 사용될 수 있지만, 주 전류 경로에 더 많은 다이오드가 있으므로 효율이 더 낮다. 각 토폴로지에서 고전압 Si 혹은 SiC MOSFET을 사용할 수 있지만, 비용을 낮추기 위해서 주파수가 낮게 사용된다면 IGBT를 고려해볼 수 있다. 예컨대 온세미컨덕터의 ‘FS4(Field Stop 4) 부품은 650V 또는 960V 정격으로 포화 전압과 동적 손실인 EOFF 값이 서로 다른 저, 중, 고속 버전으로 선택할 수 있다. IGBT 기반 3상 하프 브릿지 정류기/PFC 단계에 필요할 수 있는 더 높은 전압 정격에서 온세미컨덕터의 UFS(Ultra Field Stop) 1200V 부품은 동급 최상의 VCESAT와 EOFF를 갖춘 저속 및 고속 버전으로 제공된다.

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[그림 3] 비엔나 정류기 토폴로지

비엔나 정류기는 메인 DC-DC 변환단계를 위한 고전압을 생성하는 단계로 몇 가지 토폴로지 중 하나이다. DC-DC 변환기는 그림 4와 같이 풀 브릿지 인터리브 LLC 및 3 레벨 LLC가 일반적인 형태이다. 인터리브 버전은 각각 공급 전압의 절반 정도이므로 650V 슈퍼정션 MOSFET을 사용할 수 있다. SJ-FET(Super-Junction FET) III의 기술 범위는 낮은 EMI 및 전압 스파이크 제한을 위한 게이트 저항기을 포함한 이지 드라이브(Easy Drive), 하드 스위칭 애플리케이션의 최고 효율을 위한 패스트(Fast), LLC와 같은 공진 변환기의 최고 성능을 위한 동급 최강의 바디 다이오드가 있는 FRFET 버전을 포함한 세 가지 버전으로 제공된다.

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[그림 4] 풀 브릿지 인터리브 LLC 및 3 레벨 LLC

더 높은 효율성과 전력밀도를 위해 900V/1200V SiC MOSFET을 사용할 수 있으며, 높은 스위칭 주파수에서 더 작은 자성체로 더 높은 부품 비용을 상쇄할 수 있다. 높은 정격 전압을 통해 인터리빙 없이 단일 H-브릿지만 사용할 수 있으며, 더 적은 수의 스위치로 비용을 절약할 수 있다. 매우 비용에 민감한 애플리케이션의 경우 온세미컨덕터의 FS IGBT 650V 또는 1200V를 사용할 수 있지만, 결과적으로 더 크고 비용이 많이 드는 자성체를 사용해 낮은 스위치 주파수에서만 사용할 수 있다. 출력 다이오드는 1200V의 실리콘 타입의 ‘스텔스’ 또는 ‘하이퍼패스트’ 가 가능하며, 더 낮은 손실의 경우 1200V SiC 타입일 수 있다.
절연 타입의 게이트 드라이브를 사용하고, 3개의 변압기가 필요하지만 3-레벨 LLC 토폴로지에서는 다이오드 및 스위치 사용 수량을 줄이고 출력 리플을 훨씬 낮출수 있다. 성능/비용의 절충에 따라 Si SJ 혹은 SiC MOSFET 혹은 IGBT를 사용할 수 있다.

광범위한 성능 향상을 제공하는 WBG SiC 디바이스

WBG(Wide Band Gap) SiC 스위치 및 다이오드를 사용할 수 있는 옵션은 저손실의 고속 고전압 스위칭은 에너지를 절약하고 시스템 비용, 크기, 중량을 줄일 수 있다. 비엔나 정류기와 풀 브릿지 LLC 컨버터를 SiC 기반의 3상 하프 브릿지 정류기/PFC 및 풀 브리지 LLC 컨버터와 일반 실리콘 솔루션을 비교한 결과, SiC 버전의 경우 중량 22%, 부피 62% 감소로 전력 처리량이 25% 향상되었으며, 모든 부품 사용이 20% 감소하며 더 신뢰할 수 있는 제품을 생산할 수 있다.

발전하는 패키징

전력 반도체의 성능을 위해 패키징은 중요하게 다뤄져야 할 부분이다. 특히 더 높은 스위칭 주파수에서 리드 인덕턴스가 성능을 저하시키는 기생(parasitic) 효과가 발생될 수 있기 때문이다. PQFN, LFPAK, TOLL 패키지와 같은 온세미컨덕터의 혁신적인 기술력은 문제를 해결하는 동시에 향상된 열 성능을 제공한다. 생산 조립 시간 및 부품 수를 크게 줄이기 위해 IGBT, Si/SiC MOSFET, Si/SiC 다이오드 혼합을 포함해 여러 제품이 하나의 패키지에 통합되어 있는 통합형 모듈 PIM(Power Integrated Module)을 고려할 수 있다. 페키지 조립된 PIM의 성능이 보장되어 개발 위험을 제거하고 부품 재고를 줄이며, 출시 시간을 단축할 수 있다.

결론

고효율 전력변환을 제공하는 최신 전력 반도체는 주행거리 불안 문제를 해결하는 전기차용 고속 DC 충전기 설계를 가능하게 하고 있다. 온세미컨덕터는 아날로그, 디지털 컨트롤러, 절연형 게이트 드라이버, 저손실 전류 감지 증폭기, 옵토커플러와 같은 광범위한 지원 구성요소와 함께 IGBT, Si/SiC MOSFET 및 다이오드 공급을 위한 모든 프로세스를 수직으로 통합하여 제공한다.

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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