제공: 마우저 일렉트로닉스(Mouser Electronics)
온보드 차저(onboard charger, OBC)는 전기 자동차(EV)를 가동하는 데 있어서 결정적인 문제를 해결한다. AC 전력망에서 공급되는 전력을 배터리와 호환 가능한 DC 전력으로 변환함으로써 EV 충전을 가능하게 하는 것이다. 해를 거듭할수록 더 다양한 디자인, 아키텍처, 크기의 EV가 시장에 등장함에 따라 OBC 구현은 점점 더 복잡해지고 있다. 뿐만 아니라 더 빠른 충전을 위해서 배터리 전압이 높아지고 양방향 충전이 점차 일반화되면서, 시스템 설계자들에게는 OBC 시스템에 사용하기 위한 토폴로지와 소재를 결정하는 것이 중요해졌다. 이 글에서는 OBC의 개요에 대해서 설명하고 OBC를 구현하기 위해서 사용할 수 있는 소재들을 비교해 본다.
OBC의 개요
전세계적으로 이산화탄소(CO2) 배출 요건이 점점 더 엄격해지고 있다. 그 결과, 충전 용량에 대한 요구가 DC 급속 충전기(레벨 3)의 확충 속도를 능가하고 있고, 이는 다시 OBC에 대한 시장의 요구가 높아지는 것으로 이어지고 있다. 온보드 차저는 기본적으로 그림 1에서 보는 것과 같은 요소들로 이루어진다:
전력망으로부터 공급되는 AC 전력이 전자기 간섭(electromagnetic interference, EMI) 필터를 거침으로써, 외부 소스로부터의 ‘노이즈’를 완화하고 OBC가 다시 전력망으로 노이즈를 방출하는 것을 방지한다. 그 다음에 이 전력은 OBC의 주요한 두 가지 단계 중 첫번째 단계로 들어가는데, 흔히 이는 역률 보정(power factor correction, PFC) 단계라고 알려져 있다. PFC 단계는 AC 라인 전력을 DC로 변환하고 입력 전압 및 전류 파형의 위상 왜곡을 크게 낮춰준다. 이 단계에서는 0.9 미만의 역률(PF)을 제공함으로써 전력망에 대한 무효 전력(reactive power) 주입을 최소화한다. 그런 다음에 이 전류는 절연형 DC-DC 컨버터로 들어가서 출력 전압 및 전류를 배터리 충전 상태에 맞게 매칭시킨다. 그럼으로써 입력과 출력 사이에 갈바닉 절연을 제공한다.
PFC 토폴로지 및 소재
OBC는 입력 AC 위상의 수와 OBC로 제공되는 그리드 출력 전력에 따라 다양한 PFC 토폴로지를 사용할 수 있다. 단상 AC 입력은 통상적으로 전통적인 부스트 또는 토템 폴 구성을 사용하는데, 양방향 설계를 위해서는 PFC로 토템 폴 구성을 사용한다. 엔지니어는 토템 폴 PFC를 단상 또는 3상 동작으로 설정할 수 있으며, 이는 단방향 혹은 양방향으로 동작할 수 있다.
전통적 부스트 PFC
전통적 부스트 PFC는 구현하기가 쉽고, EMI 노이즈가 낮으며, 위상들을 인터리브해서 전력을 확장할 수 있다. 다이오드를 사용하면 복잡도를 낮출 수 있지만 효율이 떨어진다. 전통적 PFC는 단상 AC 입력 OBC에 잘 맞으며 단방향이다. 이 토폴로지에는 수퍼 정션(super junction, SJ) MOSFET, 절연형 게이트 바이폴라 트랜지스터(insulated gate bipolar transistor, IGBT), 실리콘 카바이드(silicon carbide, SiC) 다이오드가 이상적인 선택이 될 수 있다.
브리지리스 부스트 PFC
브리지리스 부스트 PFC도 단상 OBC에 적합하며, 전통적 부스트 PFC처럼 브리지 손실을 일으키지도 않는다. 하지만 비활성 MOSFET의 다이오드가 역률 보정 효과를 떨어트리기 때문에 OBC에 실제 사용되는 것은 제한적이다.
토템 폴 PFC
전통적 부스트 PFC는 비용적으로 경제적이지만 효율이 떨어지는 반면에, 토템 폴 브리지리스 PFC는 상업적으로 이용할 수 있는 옵션들 중에서 효율은 가장 높지만 비용이 많이 든다. 효율은 고속 레그(leg)에 와이드 밴드갭(wide bandgap, WBG) 디바이스를 사용할 때가 가장 높은데, 특히 연속 전도 모드(continuous conduction mode, CCM)와 삼각 전도 모드(triangular conduction mode, TCM)일 때 그렇다. 이는 양방향 전력 흐름을 지원하지만 구현하기가 복잡하다. 토템 폴 브리지리스 PFC 용으로 선택 가능한 디바이스로는 SiC MOSFET(고속 레그), CCM에 IGBT(저속 레그), TCM 모드에 Si MOSFET을 들 수 있다.
SiC vs. IGBT 활용 사례
새로운 EV 충전 시스템들은 가변 전력을 요구함으로써, 엔지니어가 반도체 디바이스 옵션을 활용해서 자신이 설계하는 시스템의 효율을 높이거나 아니면 비용을 낮출 수 있는 기회를 제공한다. 이제부터는 온보드 차저용으로 선택할 수 있는 PFC 소재에 대해 알아보자.
SiC MOSFET
견고한 소재인 SiC MOSFET은 모든 전력 등급과 토폴로지에 사용하기에 우수하며, 고급형 또는 고성능 EV의 고효율 OBC에 사용하기에 이상적이다. 이러한 애플리케이션이나, 높은 스위칭 주파수와 낮은 손실을 요구하는 그 밖에 다른 애플리케이션들은 우수한 열 관리로 급속 충전을 달성할 수 있다. SiC MOSFET은 IGBT나 Si SJ MOSFET에 비해 효율과 전력 밀도가 높기 때문에 800V 배터리 시스템의 PFC, 일차측 DC-DC, 이차측 정류(양방향)용으로 권장된다.
IGBT
IGBT 역시 대부분의 400V PFC 토폴로지와 DC-DC 스테이지에 적합하다. 하지만 11kW 및 22kW에서 손실이 더 높아 SiC에 비해서 성능이 떨어진다. IGBT는 중급형 EV의 비용에 민감한 애플리케이션이나, 경제성이 더 중시되는 낮은 스위칭 주파수의 애플리케이션에 적합하다.
Si SJ MOSFET
이 디바이스는 활용 사례의 범위가 좀더 좁은데, 7.2kW 이하 전력대의 부스트 및 브리지리스 부스트용으로 적합하다. 11kW 및 22kW 전력대에 비엔나 디자인을 추가하면 이들 애플리케이션에서 성능을 끌어올릴 수 있다. SiC SJ MOSFET은 PFC 및 DC-DC 스테이지의 400V 배터리 시스템에 사용하기에 적합하다.
일반적으로 성능과 시스템 설계 유연성을 위한 최선의 옵션 두 가지는 SiC MOSFET과 IGBT이다.
SiC 대 IGBT 비교
SiC MOSFET은 높은 전압과 주파수로 우수한 효율을 제공하므로, 고효율과 콤팩트한 디자인을 요구하는 애플리케이션에 사용하기에 이상적이다. 또한 이 디바이스는 최상의 성능을 제공하므로 800V EV에서 높은 전력과 고효율을 요구하는 까다로운 애플리케이션용으로 적합하다.
반면, IGBT는 효율 극대화보다는 비용적 경제성을 좀더 중시하는 애플리케이션에 적합하다. IGBT는 400V EV에서 충분한 이차측 성능을 제공하므로, 시스템 제조사들에게 비용적으로 더 유리하다.
맺음말
OBC는 AC 전력망의 전압을 배터리 충전에 적합한 DC 전압으로 변환한다. OBC에 적합한 디바이스와 토폴로지를 선택하는 것은 EV 충전의 성능과 효율을 극대화하는 데 있어서 매우 중요하다. 각 토폴로지와 디바이스마다 장단점이 있으므로, 설계 엔지니어는 가장 적합한 애플리케이션 구현을 선택해야 한다. SiC MOSFET은 고효율 고전압 애플리케이션에 이상적이며, IGBT는 좀더 낮은 전압대의 시스템에서 비용적으로 경제적인 솔루션을 제공한다. 각 디바이스별 장단점과 적합한 활용 사례를 이해함으로써, 설계자는 자신이 설계하는 EV 충전 시스템의 전반적인 성능을 향상시키는 결정을 할 수 있을 것이다.
온세미(onsemi)의 온보드 충전 솔루션은, 업계 선도적인 SiC MOSFET에서부터 회로 보호에 이르기까지, 신뢰할 수 있으며 견고한 OBC 설계에 필요한 각종 부품들을 제공한다.
저자 소개
아담 킴멜(Adam Kimmel)은 20년 가까이 실무 엔지니어, R&D 매니저, 엔지니어링 콘텐츠 작가로 활동하고 있다. 자동차, 산업/제조, 기술, 전자 등 관련 분야의 백서, 웹사이트 카피, 사례 연구, 블로그 게시물을 작성한다. 화학 및 기계공학 학위를 받았으며, 엔지니어링 및 기술 콘텐츠 제작 회사인 ASK 컨설팅 솔루션스(ASK Consulting Solutions)의 설립자이자 사장이다.
