컴팩트하고 비용 효율적인 온보드 차저 구현 반도체

Semiconductors for Compact and Cost-Efficient On-Board Chargers

2020년 01월호 지면기사  /  글│마틴 글라이히(Martin Gleich), 자동차 파워트레인 마케팅 및 사업개발 책임, 인피니언 테크놀로지스

Semiconductors for Compact and Cost-Efficient On-Board Chargers
컴팩트하고 비용 효율적인 온보드 차저 구현하는 반도체

순수 전기차나 플러그인 하이브리드는 차량 내부에 탑재되는 충전장치로서 온보드 차저(OBC)를 필요로 한다. 이 글에서는 OBC를 개발하기 위해서 어떤 것들을 고려해야 하고 어떤 반도체 부품들을 사용할 수 있는지 설명한다.

글│마틴 글라이히(Martin Gleich), 자동차 파워트레인 마케팅 및 사업개발 책임, 인피니언 테크놀로지스

 
 
으로 몇 년 후에는 도로 상으로 배터리 전기차나 플러그인 하이브리드가 지금보다 훨씬 많아질 것이다. WLTP에 따르면, 전기차나 플러그인 하이브리드는 CO₂ 배출이 거의 제로이거나 매우 낮아, EU 지역에서 정하고 있는 CO₂ 배출 목표치를 달성하기 위해 자동차 제조사들이 이들 차량의 판매 비중을 늘리고 있다.

이들 차량은 공칭 전압이 350 ~ 360 V 대에 이르는 리튬이온 배터리 팩을 사용한다. 현재 전기차 신차의 배터리 용량은 40 kWh부터 80 kWh까지 이르며 최대 400 km를 주행할 수 있다. 플러그인 하이브리드는 약 10 kWh 대의 작은 배터리 팩을 사용한다. 대체로 순수하게 전기로 주행하는 거리가 50 km를 넘지 않기 때문이다.

전기차는 외부 전원을 사용해서 배터리를 충전하는 것이 기본적인 요구사항이다. 플러그인 하이브리드는 내연 엔진의 에너지 생성으로 충전하는 것에 더해 외부 전원을 사용해서 충전할 수도 있다.

충전 인프라와 관련해서는 3가지 형태의 충전이 가능하다. 주된 장소에서의 충전(“정박지 충전”), 목적지에서의 충전(“목적지 충전”), 거리를 늘리기 위한 충전(“거리 연장 충전”)이다(그림 1).
 


그림 1| 세 가지 충전 형태


충전 시나리오와 충전 전력

“정박지 충전”은 집이나 직장 같이 차를 주로 주차해 놓는 장소에서 충전하는 것을 말한다. 이때 중요한 역할을 하는 것이 OBC다. 이때는 보통 차를 충전 장소에 몇 시간씩 주차하고 있기 때문에 전체적인 충전 에코시스템에 있어서 충전시간은 그렇게 중요하지 않다. 그러므로 현재로서 충전 전력이 2.3 kW(230 V, 단상, 10 A)나 3.6 kW(230 V, 단상, 16 A)를 거의 넘지 않는다. 이 정도의 전력이면 40 kWh 미만의 배터리를 사용하는 플러그인 하이브리드나 전기차를 충전하기에 충분하다. 밤사이에 혹은 근무 시간 동안에 40 kWh 이상 용량의 배터리를 충전하기 위해서는 11 kWh 이상의 출력 전력을 필요로 하는데, 그러려면 3상 전력 입력이 필요하다.

“목적지 충전”은 수퍼마켓, 쇼핑센터, 영화관 같은 곳에서 충전하는 것을 말한다. “정박지 충전”보다는 더 짧은 시간 동안 충전을 하며, 배터리를 부분적으로 충전할 수 있다. 이처럼 제한적인 시간으로 배터리를 충분히 충전하기 위해서는 더 높은 충전 전력이 필요하다. 이러한 장소들에 설치된 충전기들은 출력 전력이 22 kW부터 50 kW까지 이르며 충전기에 AC 대 DC 전력 변환 기능을 통합한다.

“거리 연장 충전”은 전통적인 자동차에 연료를 보충하는 것에 비유할 수 있다. 기회가 있을 때마다 짧은 시간 동안 배터리를 충전해서 주행거리를 늘릴 수 있다. 현재 사용되고 있는 충전 전력은 50 kW부터 120 kW까지다. 앞으로 몇 년 내에 최대 350 kW를 사용해서 80 kWh 같은 대용량 배터리를 20분 이내에 충전할 수 있게 될 것이다. 이렇게 충전하기 위해서는 전압 변환 기능이 있는 DC 충전기를 사용해야 한다.

OBC는 AC에서 DC 전압으로의 변환과 배터리 충전 제어 둘 다 하기 때문에 다양하게 요구되는 통신 프로토콜과 더불어서 단상 및 3상 전력망과 호환 가능해야 한다. 또 입력 측으로 능동 PFC, 절연, EMC 요건을 충족해야 하며, 출력 측으로 적절한 충전 전류와 전압을 제공해야 한다.

전기차를 가정용 태양광 설비의 에너지 저장장치로 사용하는 것에 관한 논의도 점점 활발해지고 있다. 일조량이 강할 때 만들어진 여분의 전력을 저장했다가 나중에 가정에서 사용할 수 있다. 이것을 하기 위해서는 OBC로 양방향 동작이 필요하다. 자동차 내부의 배터리를 충전하는 기능과 더불어, 반대로 외부로 에너지를 공급하는 것도 할 수 있어야 하는 것이다. 다만 현재로서는 이러한 시스템이 거의 사용되고 있지 않다.


전력 밀도와 비용 최적화

그렇다면 OBC를 개발할 때 어떤 파라미터들을 고려해야 할까? 중요하게 고려해야 할 한 가지 문제가 공간이다. 특히 플러그인 하이브리드는 더 그렇다. OBC의 전력 밀도를 최대한 높여야 한다. 또 비용을 되도록 낮추는 것이 중요한데, 자동차 제조사들이 OBC를 중요한 차별화 요소로 크게 인식하지 않는다는 점을 감안하면 더 그렇다. 자동차 회사들은 비용 압박으로 더 높은 효율을 위해 제조 원가가 증가하는 것을 원치 않을 수 있다.

온보드 충전 시스템은 능동 PFC(power factor correction) 스테이지와 DC-DC 전압 컨버터(DC-DC)의 두 가지 서브시스템으로 이루어진다(그림 2). PFC 스테이지는 라인 측으로 0.9 이상의 능동 역률을 달성하고, AC 라인 전압을 중간 DC 회로 전압으로 정류하고, 충전소와 통신하는 일을 한다. DC-DC 컨버터는 배터리 충전 전류를 제어하고 메인 전원과 배터리 사이를 갈바니 절연을 사용해서 차단한다.



그림 2| 온보드 충전 시스템은 두 가지 서브시스템들로 구성된다. 능동 PFC(PFC)와 DC-DC 전압 컨버터(DC-DC)이다.


이론적으로는 이들 각 부분으로 다양한 토폴로지를 사용할 수 있다. 하지만 자동차 분야로 위에서 언급한 것과 같은 요구들을 충족하기 위해서는 실제적으로 다음과 같은 몇 가지로 제한된다:

For PFC: Boost converter, Totem Pole
For DC-DC: LLC, ZVS Phase Shift
PFC: 부스트 컨버터, 토템 폴
DC-DC: LLC, ZVS 위상 편이

 
토폴로지 선택과 함께, 시스템을 설계 시 중요한 것이 전력 반도체 선택이다. 이것은 수동 부품뿐만 아니고 전력 소모, 사용 가능한 최대 스위칭 주파수, 견고성에 영향을 미친다. 이는 다시 전력 밀도, 비용, 효율에 영향을 미친다. 예를 들어서 전력 소모를 낮추면 냉각 시스템의 크기와 비용을 줄이고 결국에 OBC의 크기와 비용을 줄일 수 있으며 효율을 높일 수 있다. 더 높은 스위칭 주파수로 동작함으로써 더 작은 수동 부품을 사용할 수 있다.

위에서 열거한 각각의 회로 토폴로지마다 적합한 반도체가 다르다. LLC 컨버터는 높은 스위칭 주파수(최대 500 kHz)를 사용하므로 MOSFET이 적합하다. 연속 전도 모드로 동작하는 토템 폴 PFC는 하드 스위칭을 하므로 고속 스위칭 IGBT를 필요로 한다. 실리콘 카바이드(SiC) MOSFET과 다이오드는 더 높은 효율을 달성할 수 있다.
인피니언은 차량 내 온보드 충전 시스템 용으로 포괄적인 유형의 전력 반도체 제품들을 제공한다.


차량용 CoolMOS™ CFDA와
드라이버 IC AUIRS2191S

 
LLC나 ZVS 위상 편이 같은 공진 DC-DC 토폴로지는 최대 500 kHz의 스위칭 주파수로 동작하므로 상측 스위치와 하측 스위치 사이에 되도록 빠른 전환을 필요로 한다. 통상적으로 이들 토폴로지는 MOSFET의 소프트 스위칭을 사용한다(제로 전압 또는 제로 전류 스위칭 모드). 그런데 특정 상황에서 MOSFET의 하드 스위칭이 발생될 수 있다. 흔히 MOSFET 바디 다이오드의 역 회복 특성을 간과하는데, 그러면 원하는 스위칭 주파수나 부하 전류를 달성하지 못할 수 있다.

현장에서 하드 스위칭이 발생되었을 때 역 회복 전하를 빠르게 제거하려고 하다 보면 심한 경우에 MOSFET을 손상시킬 수 있다. 이럴 때 도움이 되는 것이 “고속 바디 다이오드”이다. 인피니언의 CoolMOS™ CFDA 기술은 복구 지연이 평균보다 40% 낮은 고속 바디 다이오드를 제공함으로써 설계를 크게 간소화한다. 그림 3에서는 결과적인 턴오프 동작이 이상적인 스위치에 가깝다는 것을 알 수 있다. 과전압 피크가 발생되지 않으며 발진이 거의 미미하다. 그러므로 추가적인 필터 회로를 사용할 필요 없이 높은 스위칭 주파수를 사용해서 수명 동안 내내 신뢰할 수 있는 효율적인 공진 토폴로지를 구현할 수 있다. 또한 CoolMOS™ CFDA는 다양한 게이트 저항 값을 사용해서 제어할 수 있으므로 회로 설계를 간소화하고 평가를 위한 테스트 부담을 덜 수 있다.

그림 3| 인피니언의 자동차용 CoolMOS™ CFDA 기술을 사용해서 견고한 동작을 달성할 수 있다.


드라이버 회로의 BOM(bill of materials) 비용을 최소화하기 위해서는 드라이버 IC를 사용하는 것이 좋다. AUIRS2191S는 공진 토폴로지로 CoolMOS™ CFDA 기반 제품과 완벽한 짝을 이룬다. 상측 스위치와 하측 스위치를 위한 2개 채널을 제공하므로 하프 브리지 드라이버를 공간 절약적으로 구현할 수 있다. 또 90 ns의 전달 지연시간과 ±3.5 A의 드라이버 전류를 특징으로 하므로 추가적인 부품들을 사용할 필요 없이 최대 3 kW에 이르는 전력 반도체를 최대 200 kHz로 구동할 수 있다.


TRENCHSTOP™ 5 고속 스위칭 IGBT와
게이트 드라이버 IC AUIRS2191S

 
토템 폴 기반 PFC 스테이지를 사용해서는 양방향 충전을 하거나 허용 가능한 오버헤드로 효율을 향상시킬 수 있다. 앞서 언급했듯이 CCM으로 동작하기 위해서는 고속 스위칭 IGBT를 사용해야 한다. 여기에 적합한 제품은 인피니언의 TRENCHSTOP™ 5 제품이다. 이들 제품은 동급으로 스위칭 손실과 포워드 손실이 가장 낮으므로 최대의 효율을 달성할 수 있다. 스위칭 주파수 역시도 부품을 선택할 때 중요한 요소이다. 토템 폴 스테이지는 통상적으로 70 kHz로 동작하는데, TRENCHSTOP™ 5는 최대 120 kHz의 주파수를 지원한다. 드라이버 스테이지에는 역시 AUIRS2191S를 사용함으로써 회로를 간소화할 수 있다.
 

CoolSiC™ MOSFET과
드라이버 IC AUIRS1170S

 
오늘날에는 효율 향상이 중요한 문제가 되었다. 비용 상승을 허용할 수만 있다면 전력 밀도를 높임으로써 공간을 줄일 수 있다. 미래에는 전기차에 대한 새로운 에너지 소비 기준에 OBC 자체의 에너지 사용을 포함하게 될 수 있다. 이미 중국과 일본에서는 이와 관련된 논의들이 이루어지고 있다. 그러기 위해서는 비용이 조금 상승한다고 하더라도 OBC의 효율이 지금보다 더 중요해질 것이다.

실리콘 카바이드는 반도체 기초 소재로서 실리콘에 비해서 스위칭 손실과 포워드 손실이 더 낮은 능동 전력 디바이스를 제조할 수 있다. 이것은 효율을 높이는 것으로 이어진다. 예를 들어서 토템 폴 PFC 스테이지로 Rapid 다이오드를 통합한 최신 고속 스위칭 TRENCHSTOP™ 5 IGBT를 사용해서 97% 이상의 효율을 달성할 수 있다. 그런데 Rapid 다이오드를 인피니언의 CoolSiC™ 다이오드로 교체하면 효율을 98% 이상으로 높일 수 있다. TRENCHSTOP™ 5 IGBT 대신에 CoolSiC™ MOSFET을 사용한 완전 SiC 기반 구현을 사용하면 더더욱 효율을 높일 수 있다. 다만 효과에 비해서 비용이 크게 증가한다는 것은 단점이다. 그림 4는 CoolSiC MOSFET 650 V를 사용해서 3.3 kW까지 전력 범위로 효율 향상을 보여준다.


그림 4| 토템 폴 PFC로 자동차용 CoolSiC™ 다이오드를 사용해서 효율을 0.7퍼센트 향상시킬 수 있다.


효율을 향상시킬 수 있는 또 다른 가능성은, DC-DC 컨버터의 이차 측에서 수동 정류에서 능동 정류로 전환하는 것이다. 이렇게 하면 양방향 동작이 가능해진다. 다이오드를 사용한 수동 정류와 달리, 히트 싱크가 필요하지 않다. 그러므로 공간을 절약하고 비용을 낮출 수 있다. 인피니언의 AUIRS1170S는 자동차용으로 전적으로 동기 정류용으로 개발된 유일한 드라이버 제품이다. 드라이버로 통합된 전력 반도체 스위치에 대해서 드레인 대 소스 전압 측정 기능을 포함하므로 마이크로컨트롤러로부터 실행을 필요로 하지 않는다. CoolMOS™ CFDA 기술을 사용한 측정 결과를 보면 수동 정류에 비해서 0.5% 향상된다는 것을 알 수 있다.


AURIX™ 마이크로컨트롤러
 
전기차나 플러그인 하이브리드는 OBC의 통신 인터페이스를 통해서 외부 세상으로 연결된다. 이더넷, CAN(FD), 전력선을 통해서 OBC가 충전기나 월박스와 통신하고 설치된 전력 공급 용량에 대한 정보를 요청하거나 배터리 충전상태를 통신할 수 있다.

어떤 통신 인터페이스나 마찬가지로, OBC의 이러한 인터페이스도 부적절하게 사용될 수 있다. OBC는 CAN(FD) 버스를 통해서 자동차의 E/E 아키텍처로 통합되므로 부적절한 침입이 심각한 결과를 초래할 수 있다. 그러므로 적절한 암호화 알고리즘을 사용해서 OBC를 보호하고 사용자 인증을 해야 한다. 널리 채택되고 있는 인피니언의 AURIX™ 마이크로컨트롤러 시리즈는 “하드웨어 보안 모듈(HSM)”을 통합함으로써 완벽한 솔루션을 제공한다. EVITA 표준을 완벽하게 충족하는 보안 시스템을 구현하고 Autosar SecOC와 안전하게 통신할 수 있다.

OBC에 고전압 대 저전압 DC-DC 컨버터를 통합하는 것은 기술적으로나 상업적으로 구현 가능하며 사용이 늘어날 것이다. 컴퓨팅 성능에 대한 요구가 높아질 뿐만 아니라 기능안전성(functional safety)이 중요해질 것이다. TLF35584 전원 IC와 함께 AURIX™ 제품군을 사용하여 요구되는 성능을 제공할 뿐만 아니라 ISO 26262 ASIL D 요건을 충족하는 시스템을 구현할 수 있다.
 
 
 
 
 
 

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