고효율 전력 변환 시스템의 개발 및 솔루션

에너지 재활용 기능을 갖춘 효율적인 배터리 형성 시스템

점점 더 많은 배터리 기반 애플리케이션, 특히 전기차(EV) 및 스마트폰, 태블릿, 전동 공구와 같은 휴대용 기기의 증가로 인해 리튬 이온 배터리에 대한 글로벌 수요가 증가하고 있습니다. 배터리 포메이션 프로세스는 정밀하게 제어된 충전 및 방전 사이클을 통해 리튬 화학 물질을 활성화하고 이를 사용 가능한 형태로 변환합니다. 따라서 배터리 포메이션 시스템은 충전 및 방전 채널을 늘릴 수 있는 높은 전력 밀도와 에너지 재활용 기능, 양방향 전력 처리 기능을 갖춘 효율적인 전력 변환이 필요합니다.

형식화된 배터리로 AC 그리드에서 전력을 공급받아 형성된 시스템은 AC 그리드 인터페이스로서 전력 요인 보정(PFC) 단계를 포함하며, 전류 절연 및 감압을 위한 절연 DC-DC 단계와 충전 및 방전 전류를 잘 제어하기 위해 정밀한 충전 및 방전 전압을 제공하는 비절연 DC-DC 단계를 포함합니다. 모든 단계는 선형 조정기 대신 스위칭 컨버터 기술을 기반으로 합니다. 스위칭 컨버터 접근법은 형성 시스템이 에너지 효율성과 전력 밀도를 향상시키고 동일한 하드웨어를 사용하여 에너지 재활용 가능성을 제공함으로써 배터리 제조 비용을 절감할 수 있도록 합니다.

신뢰할 수 있는 배터리 형성 시스템의 높은 전력 밀도, 높은 효율 및 에너지 재활용 요구를 충족하기 위해 Infineon은 전력 소자, 드라이버 IC 및 마이크로컨트롤러를 포함한 다양한 제품을 제공합니다. 배터리 형성 시스템의 핵심 단계는 PFC 단계, 절연 DC-DC 단계 및 비절연 DC-DC 단계로 나눌 수 있습니다.

인피니언은 효율적인 전력 변환을 위해 이러한 PFC 토폴로지에서 활성 스위치로 600 V CoolMOS™ C7 및 P7 시리즈를 사용할 것을 권장합니다. CoolSiC™ Schottky Diode 650 V G6는 권장되는 패시브 스위치로, 1.25 V의 정전압 강하만 제공하여 PFC 단계에서 전도 손실을 줄여줍니다.

고효율 서버 스위칭 모드 전원 공급 장치(SMPS) 설계와 마찬가지로 배터리 형성 시스템의 격리된 DC-DC 단계에는 흔히 영전압 스위칭(ZVS) 토폴로지가 적용됩니다. 두 가지 대표적인 토폴로지는 하프 브리지 LLC와 ZVS 위상 변위 풀 브리지 컨버터입니다. 컨트롤러 선택에 따라 Infineon은 LLC 1차 측 MOSFET으로 600 V CoolMOS™ CFD7, P7 및 C7을 추천합니다.

형성 시스템 컨트롤러는 비절연 컨버터에게 각자의 배터리를 충전하라는 지시를 내리며, 일반적으로 시스템 내 다른 비절연 컨버터들과 유사한 시점에 방전 과정을 시작합니다. 컨버터의 스위칭 주파수에 따라 설계자는 가장 적합한 Infineon 제품군을 선택할 수 있습니다. 스위칭 주파수가 100kHz 이하일 경우 StrongIRFT™가 추천되며, 100kHz 이상의 스위칭 주파수에서는 OptiMOS™ 5가 전력 손실을 더 적게 제공합니다.

에너지 저장 시스템은 전기차 배터리의 세컨드 라이프 문제를 해결합니다

에너지 저장은 항상 발전, 송전, 배전 및 소비의 필수적인 부분이었습니다. 재생 가능 에너지 발전이 지속적으로 증가함에 따라 전력 패턴에 막대한 변화가 일고 있습니다. 에너지 저장 시스템(ESS)은 공급과 수요를 관리하고, 더욱 유연한 에너지 인프라를 구축하며, 전력회사와 소비자에게 비용 절감을 제공하는 다양한 기술적 방법을 제공합니다. 배터리 기반 ESS 기술은 전력이 끊기는 상황에 1초 이내로 대응할 수 있으며, 인접한 태양광 또는 풍력 발전소에서 깨끗한 에너지를 활용할 수 있습니다.

인피니언은 에너지 생성, 전송, 전력 변환 및 배터리 관리 분야에서 독보적인 전문 기술을 보유하고 있어 효율성, 혁신, 성능 및 비용 최적화 측면에서 ESS 솔루션을 발전시키기에 완벽한 파트너입니다. 인피니언의 독보적인 전문 기술과 제품 포트폴리오는 설계 작업을 줄이고, 시스템 성능을 개선하며, 시장 진출 시간을 단축시키고, 시스템 비용을 최적화하는 첨단 솔루션을 제공합니다.

ESS의 세 가지 주요 트렌드는 실리콘 카바이드(SiC), 중고 배터리의 다중 모듈 접근 방식, 그리고 배터리 관리 시스템(BMS)의 개발입니다. 인피니온의 SiC 포트폴리오의 최신 제품인 CoolSiC™ MOSFET 650 V 시리즈는 가장 진보되고 최적화된 트렌치 반도체 공정의 결과물로, 애플리케이션에서 최저 손실과 운영에서 최고 신뢰성을 달성하는 데 있어 타협하지 않는 제품입니다.

전기차 솔루션의 인기가 점점 높아지는 시대에, 미래에는 대량의 사용된 전기차 배터리를 처리해야 하는 상황이 발생할 것이 예상됩니다. 모듈식 계단식 및 다중 레벨 아키텍처의 주요 장점 중 하나는 배터리의 제2생명을 실현할 수 있다는 점입니다. 예를 들어, 이는 수명이 다하여 더 이상 전기차에서 사용할 수 없는 배터리에 적합합니다. 전기차 배터리를 처리하는 문제를 해결하기 위해, 인피니언은 모듈식 계단식 및 다중 레벨 아키텍처를 개발했으며, 인피니언의 시장 선도적인 OptiMOS™ 제품군과 같은 고효율 및 저전압 MOSFET의 장점을 활용합니다.

배터리 관리 시스템은 ESS 애플리케이션에서 배터리 보호와 배터리 모니터링이라는 두 가지 최상위 기능을 구현하며, 인피니언(Infineon)의 배터리 관리 제품군과 참조 디자인은 더 효율적이고 지속 가능하며 신뢰할 수 있는 배터리 구동 애플리케이션을 성공적으로 개발하는 데 도움을 줄 수 있습니다. 인피니언의 TLE9012AQU는 자동차, 산업 및 소비자 애플리케이션에 사용되는 리튬 이온 배터리 팩을 위한 다채널 배터리 모니터링 및 밸런싱 시스템 IC입니다. TLE9012AQU는 네 가지 주요 기능을 구현합니다: 셀 전압 측정, 온도 측정, 셀 밸런싱, 그리고 메인 배터리 컨트롤러와의 격리된 통신. 또한, TLE9012AQU는 제어되고 있는 배터리의 올바른 기능을 보장하고 어떤 결함이 있는지 감지할 수 있도록 필요한 진단 도구를 제공합니다.

태양광 에너지 저장을 위한 양방향 DC/DC 컨버터

21세기에는 전기 에너지가 우리의 삶과 일에서 없어서는 안 될 필수적인 부분이 되었습니다. 인간이 주로 사용하던 전통적인 주요 에너지는 석유, 천연가스, 석탄과 같은 화석 에너지입니다. 화석 에너지는 지난 100년 넘게 인간 사회와 과학 기술의 급속한 발전과 진보 속에서 점차 고갈되고 있습니다.

에너지 위기의 영향 외에도, 전통적인 1차 에너지를 사용해 전기를 생산하면 대기 중으로 CO₂, SO₂, NOx와 같은 대량의 산성 가스가 배출되어 전 세계적으로 산성비를 증가시키고 온실 효과를 초래합니다. 전력을 생산하기 위해 전통적인 에너지의 연소는 또한 심각한 스모그를 발생시켜 식물과 인간의 건강에 해를 끼칩니다.

녹색 에너지에서 태양 에너지는 에너지 문제를 해결하는 중요한 열쇠입니다. 태양광 에너지 저장 시스템의 주요 구조는 두 가지입니다: MPPT + 양방향 Buckboost + PCS, MPPT + DC/DC + PCS. 이 두 가지의 차이점은 양방향 Buckboost의 후단이 고전압 배터리와 연결된 반면, 양방향 DC/DC의 후단은 저전압 배터리와 연결된다는 점입니다.

양방향 DC/DC 컨버터는 DC/DC 컨버터의 이중 사분면 작업입니다. 입력 및 출력 전압 극성은 변하지 않으며, 입력 및 출력 전류 방향은 변경될 수 있습니다. 일반적으로 양방향 DC/DC 컨버터는 절연형과 비절연형으로 나눌 수 있습니다. 절연형 양방향 DC/DC 컨버터는 널리 사용되며, 회로 토폴로지는 다양한 변환 형태를 가지고 있습니다.

현재 태양광 에너지 저장 부분의 양방향 DC/DC는 대부분 변환 회로의 CLLC와 위상 천이 풀 브릿지 위상(topology)을 채택하고 있습니다. DC/DC의 대부분의 전력 장치는 IGBT이며, 스위칭 주파수는 약 20kHz로 제어됩니다. 애로우 일렉트로닉스와 칩 제조업체는 순수 SIC(Silicon Carbide) 방식을 이용한 DC/DC 설계를 개발했으며, 이는 200kHz의 스위칭 주파수와 96%의 효율성을 달성할 수 있습니다.

애로우 일렉트로닉스(Arrow Electronics)는 배터리 에너지 저장을 위한 양방향 전력 변환기 참조 설계를 선보였습니다. 이 설계는 토템폴 PFC + CLLLC 토폴로지를 포함하며, SiC MOSFET을 사용하여 높은 스위칭 주파수에서 동작하여 높은 효율을 달성하고 크기와 무게를 줄일 수 있습니다. 이는 UPS 및 태양광 에너지 시스템과 같은 고출력 충전 시스템에 사용될 수 있습니다. 이 참조 설계는 사용자가 SiC MOSFET 시스템 설계를 신속히 진행하도록 돕고 제품 개발 주기를 크게 단축시킬 수 있습니다.

IGBT 설계와 비교했을 때, Arrow Electronics의 양방향 전력 변환기 기준 설계는 크기가 50% 감소하고, 높은 출력 전력(최대 6.6kW)과 높은 효율(> 93%)을 자랑하며 디지털 제어 양방향 출력을 지원합니다. 강화된 절연, 사용 가능한 펌웨어가 준비되어 있으며, AC/DC 양방향 전력 변환을 지원합니다. 최대 충전 전력은 6.6kW에 달하며, AC 입력 전압 범위는 200Vac에서 265Vac 50Hz, DC 출력 전압 범위는 60Vdc에서 90Vdc입니다. 최대 인버터 전력은 6.6kW까지 지원하며, 인버터 정격 입력은 80Vdc, 인버터 정격 출력은 220Vac 50Hz를 지원합니다.

고효율 LLC 전력 모듈 데모 보드

EPC에서 소개한 EPC9149 데모 보드는 4:1의 고정 변환 비율을 가진 DC 트랜스포머로 사용 가능한 1 kW, 48 V 입력에서 12 V 출력으로 동작하는 LLC 컨버터입니다. 이 보드는 100 V 등급의 EPC2218과 40 V 등급의 EPC2024 GaN FET, uP1966A 및 LMG1020 게이트 드라이버, 그리고 Microchip dsPIC33CK32MP102 16비트 디지털 컨트롤러를 특징으로 합니다. EPC9149 데모 보드는 400 W에서 최대 효율 97.5%, 12 V에서 풀 로드 효율 96.7%, 출력 83.3 A, 크기 22.9 × 58.4 mm (0.90 × 2.30 인치), 낮은 프로파일 디자인, 히트싱크를 제외한 총 컨버터 두께 10 mm, 히트싱크 키트를 설치한 경우 12 V에서 최대 온도 상승 70 ℃, 출력 83.3 A, 1 MHz의 고정 스위칭 주파수, 전체 저항 부하 지원을 위한 소프트 스타트 기능, 그리고 하을 제외한 높은 전력 밀도 (1227 W/in3)를 제공합니다.

이 변환기는 평가 목적에만 사용되며 완전히 기능하는 변환기가 아니며 최종 제품에서 사용할 수 없습니다. EPC9149는 EPC2218 및 EPC2024 eGaN FET을 기반으로 주요 측 풀 브릿지 및 듀얼 보조 측 센터 탭 하프 브릿지 구성을 갖추고 있습니다. EPC9149 보드는 또한 LLC 보드의 주요 입력 공급 전압에 의해 전력을 공급받는 논리 및 게이트 드라이버를 위한 유지 전원 공급 장치를 포함합니다. EPC9149 보드의 입력 및 출력 전압은 저항 분배기를 통해 측정되고 제어 목적으로 마이크로컨트롤러에 피드백됩니다. 이 모듈은 히타치 메탈의 ML91S 소재로 만들어진 맞춤형 트랜스포머 코어를 사용합니다. 코어 손실은 고주파 작동 중에 낮습니다. 두 절반 코어 부품은 보드의 상단과 하단에서 삽입되고 중간에는 적절한 스페이서를 추가하여 필요한 자화 인덕턴스를 구현합니다.

열 관리는 올바르고 신뢰할 수 있는 작동을 보장하기 위해 매우 중요하며, EPC9149는 일반적인 실내 온도에서 벤치 평가에 사용됩니다. 열 확산기 또는 방열판을 추가하고 강제 공기 냉각을 적용하면 전력 장치의 정격 전류를 상당히 증가시킬 수 있습니다. 그러나 칩의 절대 최대 온도인 150℃를 초과하지 않도록 주의해야 합니다.

EPC9149 LLC 전력 모듈에는 Microchip DSPIC33CK32MP102 디지털 신호 컨트롤러 DSC가 포함되어 있습니다. 이 100 MHz 단일 코어 장치는 스위칭 모드 전원 공급 장치(SMPS) 애플리케이션을 위한 전용 주변 장치를 갖추고 있으며, 특징이 풍부한 4채널(8x 출력), 250 ps 해상도의 펄스 폭 변조(PWM) 로직, 3.5 Msps의 아날로그-디지털 변환기(ADC) 3개, 15 ns 전파 지연 아날로그 비교기 3개(통합된 디지털-아날로그 변환기(DAC) 포함), 램프 신호 생성 지원, 3개의 연산 증폭기, 그리고 높음 성능의 실시간 제어 애플리케이션을 위한 타이트하게 결합된 데이터 경로를 갖춘 디지털 신호 처리(DSP) 코어를 제공합니다. 이 디자인에 사용된 디바이스는 dsPIC33CK 단일 코어 및 dsPIC33CH 듀얼 코어 DSC 제품군 중 가장 작은 파생 디바이스입니다. 이 설계에 사용된 디바이스는 28핀 4x4 mm UQFN 패키지로 되어 있으며, -40℃에서 +125℃까지의 주변 온도에 사용하도록 지정되었습니다.

결론

전력 변환 시스템은 모든 전자 설계의 기초로, 전류 유형을 변경하고 전압을 조정하여 다양한 응용 분야의 요구를 충족합니다. 이 논문에서 소개된 다양한 솔루션은 주로 배터리 시스템 및 태양광 발전 시스템의 구축에 중점을 두고 있으며, 이는 현재 가장 뜨거운 응용 방향입니다. 시장 잠재력은 대단히 인상적이며, 더 깊이 있는 이해를 가질 만한 가치가 있습니다.