고전압 EV 충전 아키텍처 위한 OBC 시스템 솔루션 가이드 

온보드 충전기(OBC)는 배터리 전기차(BEV)와 플러그인 하이브리드 전기차(PHEV)의 고전압 배터리 팩을 충전하는 데 사용된다. 이 장치는 차량 설계에 직접 통합돼 그리드에서 공급되는 AC 전력을 차량의 배터리 팩에 적합한 DC 전력으로 변환한다. 이런 기술로 전기차 운전자는 가정이나 공공 충전소에서 편리하게 차량을 충전할 수 있다. 이 글에서는 엘리트 실리콘 카바이드(EliteSiC) MOSFET를 중심으로 OBC 성능 향상을 위한 온세미의 대표 솔루션을 소개한다. 설계자들은 OBC 시스템 설계에 필요한 다양한 기술을 이해하고, 차세대 전기차 충전 아키텍처 구현에 필요한 요소들을 확인할 수 있다.

글 | Onsemi

온보드 충전기 - 블록 다이어그램
OBC의 파워 스테이지(PFC, DC-DC)는 전기차(EV) 배터리 팩 전압에 따라 다른 전력 부품을 사용한다. 그림 1은 400V EV 배터리 아키텍처를 위한 다이어그램이다. 최대 650V 등급의 전력 스위칭 디바이스가 필요하며, 높은 전류와 전압 과도 현상에 대비한 전압 마진이 필수적이다.
온세미의 인터랙티브 블록 다이어그램에는 800V EV 배터리 아키텍처 블록 다이어그램 버전도 포함되며, 최대 1200V 등급의 전력 디스크리트 디바이스와 자동차용 파워 모듈이 사용된다.
블록 다이어그램에는 절연 게이트 드라이버, 보조 전원 공급 장치, 다양한 컨트롤러도 포함된다. 신호 측정과 컨디셔닝은 OpAmps, CSA, 온도 센싱으로 구현할 수 있다. CAN과 LIN 트랜시버는 자동차 네트워크 내에서 빠르고 안정적인 통신을 보장한다. MCU 작동을 지원하기 위해, 순간적인 과도 전압 클램핑 기능과 낮은 커패시턴스를 갖춘 ESD 보호 디바이스가 중요 신호의 무결성을 보호한다.


 

EliteSiC MOSFET으로 OBC 성능 향상시키기
전기차 OBC 설계 트렌드가 고전력·고주파 스위칭으로 빠르게 전환됨에 따라 해당 애플리케이션을 위한 SiC MOSFET 수요도 증가하고 있다. 이에 따라 온세미의 SiC 기술인 EliteSiC를 바탕으로, 우수한 스위칭 성능과 작은 역회복 특성을 갖춘 EliteSiC MOSFET을 활용한 브리지리스 PFC 토폴로지가 설계자들에 의해 채택되고 있다. 1200V EliteSiC MOSFET은 800V 배터리 자동차 아키텍처에서 광범위하게 활용된다.

- 평면 설계로 수명 기간 동안 RDS(ON), VGS(TH), 바디 다이오드 전압 강하에 드리프트가 발생하지 않으며,
  음극 게이트 드라이브 전압에서도 작동 가능하다.
- MOSFET의 권장 온 스테이트 게이트 전압은 18V이지만, 구형 SiC MOSFET 게이트 드라이브 회로와의 호환성 유지를 위해 15V까지 작동 가능하다.

온세미의 M3S는 1200V EliteSiC MOSFET의 2세대 제품으로, 스위칭 성능 개선과 면적당 온저항 RSP를 줄이는 데 중점을 둔다. M3S는 전도 손실과 스위칭 손실 간의 탁월한 균형을 제공해, PFC와 같은 하드 스위칭 애플리케이션에 이상적이다. 또한 M3S의 낮은 RDS(ON) 값은 회로 토폴로지 특성상 스위칭 손실이 크게 감소하고, 전도 손실이 주요한 LLC, CLLC, PSFB(Phase Shifted Full Bridge)와 같은 소프트 스위칭 애플리케이션에서도 강력한 경쟁력을 제공한다. M1과 M3S 세대 SiC MOSFET에 대한 자세한 비교는 AND90204 애플리케이션 노트(Application Note)에서 확인할 수 있다.
M3S는 1세대 제품인 M1보다 총 게이트 전하 QG(TOT)가 더 적게 필요하며, 그림 2에서 볼 수 있듯이 게이트 드라이버의 싱킹(sinking)과 소싱(sourcing) 전류를 크게 감소시킨다. 또한 M3S는 기존 M1 대비 RDS(ON) * QG(TOT)의 성능지표(figure of merit, FOM)를 44% 개선했다.
그림 3은 주어진 조건에서 M3S의 향상된 스위칭 성능을 보여준다. M3S는 M1 대비 EOFF는 40%, EON은 20~30%, 총 스위칭 손실은 34% 낮다. 고주파 스위칭 애플리케이션에서는 잠재적으로 더 높은 RDS(ON)의 단점을 상쇄시킨다.

 


SiC MOSFET 활용한 고전압 애플리케이션 절연 게이트 드라이버 
SiC MOSFET가 자동차 전력 전자 애플리케이션에서 사용량이 증가함에 따라, 특수한 드라이버가 필요해졌다. 절연 게이트 드라이버는 MOSFET과 IGBT의 안정적인 제어를 지원하며, SiC 기술이 요구하는 초고속 스위칭 속도와 시스템 크기 제약 조건을 충족하도록 설계됐다. 스위칭 손실을 최소화하고 전력 스위칭 디바이스의 성능을 최대한 활용하기 위해서는, 게이트 드라이브 전압을 최적화하는 것이 매우 중요하다.
SiC MOSFET은 Si MOSFET보다 게이트 임계 전압 제어에서 어려움을 겪는다. SiC MOSFET은 권장 게이트 드라이브 전압에서 게이트 전압에 대한 의존도가 Si 디바이스보다 크다. SiC MOSFET은 더 높은 양극 게이트 드라이브 전압(+20V)이 필요하며, 애플리케이션에 따라 -2V에서 -6V 범위의 음극 OFF 게이트 전압이 필요하다. 이는 SiC MOSFET의 VGS 임계값이 낮아 원치 않는 턴온(turn-on) 현상이 발생할 수 있기 때문이다. SiC MOSFET을 효율적으로 구동하기 위해서는 애플리케이션 노트 AND90063/D에서 안내하는 온세미의 절연 게이트 드라이버 사용 가이드라인을 참고할 수 있다.
온세미는 SiC MOSFET, Si 파워 MOSFET, IGBT 게이트 드라이브를 위한 다양한 절연 게이트 드라이버를 제공한다. 갈바닉(Galvanic) 절연 부품 로드맵은 새로운 기능을 통해 전파 지연과 CMTI 성능을 더욱 향상시킬 예정이다. 광범위한 게이트 드라이버 평가 보드(evaluation boards, EVB) 포트폴리오는 신속한 프로토타이핑을 지원한다.



NCV51561, NCV51563 절연형 듀얼 채널 게이트 드라이버
NCV 51561와 NCV 51563은 4.5A/9A 소스·싱크 피크 전류를 제공하는 절연형 듀얼 채널 게이트 드라이버다. 이들은 Si와 SiC 파워 MOSFET 구동을 위해 설계됐으며, 짧고 균일한 전파 지연 시간을 제공한다. NCV51561 EVB를 통해 절연 게이트 드라이버 애플리케이션을 직접 테스트할 수 있다.

- NCV51561, NCV51563은 두 개의 로우사이드 스위치, 두 개의 하이사이드 스위치, 또는 프로그래밍 가능한 데드타임을 갖춘 하프 브리지 드라이브(그림 5) 등 다양한 구성에 사용 가능
- 최대 5ns 지연 매칭으로 전형적 36ns 전파 지연, 독립적인 UVLO 보호 기능 제공
- ANB를 통한 단일 또는 듀얼 입력 모드 지원, 5kV 갈바닉 절연으로 최대 1500(1850)VDC 피크 전압 허용
- CMTI ≥ 200kV/μs, 8mm 연면 거리(creepage distance)의 SOIC-16WB 패키지 제공


 
온세미는 광범위한 전기차 애플리케이션을 위한 유연한 OBC와 인프라 충전 솔루션을 제공한다. 고객은 이번 가이드를 통해 OBC 시스템에 적용할 수 있는 전력 스위칭 디바이스, 게이트 드라이버 등 핵심 기술을 이해하고, 최적의 성능을 구현할 수 있다. 또한 전기차 충전 아키텍처의 효율성과 신뢰성을 높여 차세대 e-모빌리티 혁신을 가속화한다.

AEM(오토모티브일렉트로닉스매거진)

---