도로 운송은 전 세계 CO2 배출량의 약 5분의 1을 차지하며, 이 때문에 일반적으로 전기 자동차를 운송 목적으로 사용하는 것을 지칭하는 e-모빌리티가 중요한 기술 환경을 조성합니다. e-모빌리티에서 주행거리 불안증이 주목받으면서 엔지니어들은 EV 충전 인프라의 주요 토대에 속하는 온보드 충전기(OBC), DC/DC 컨버터 및 고속 DC 충전기에 관심을 돌렸습니다.
먼저 e-모빌리티에서는 에너지 저장 및 비용과 함께 충전이 주요 과제 중 하나로 대두되었습니다. 1세대 EV는 3.7kW의 전력으로 가장 느린 충전 방식을 적용했으며 25kWh 배터리 팩을 충전하는 데 최소한 8시간이 걸렸습니다. 그러나 기술이 발전한 덕분에 EV 배터리의 전력 정격은 6.6~22kW로 업그레이드되었으며 그 덕분에 고속 AC 충전이 가능합니다.
EV 충전 인프라의 또 다른 주목할만한 변화는 Porsche, Hyundai 및 그 외 자동차 제조업체가 주도하는 배터리 전압 증가(400V에서 800V 수준으로 승압)와 관련이 있습니다. 그 결과, 충전기 전압은 500V에서 1,000V로 증가했으며 충전기는 1,200V 정격의 전력 부품을 사용하기 시작했습니다.
빠르게 부상하는 EV 및 하이브리드 차량 설계에서 이러한 변화는 IGBT, 고전압 게이트 드라이버, 초접합 정류기, 고전압 MOSFET, 고전압 DC/DC 컨버터 등의 구성 요소를 선택하는 데 상당한 영향을 미칠 것입니다.
이 글에서는 전력 반도체, 마이크로컨트롤러 및 드라이버 구성 요소의 관점에서 현재와 미래의 EV 충전 인프라 요구 사항을 미리 엿볼 기회를 제공할 것입니다.
온보드 충전기(OBC)
OBC는 올바른 케이블을 통해 EV를 충전소에 연결할 때 충전을 처리합니다. 이 충전기는 인프라 전력망에서 EV의 고전압 DC 배터리 팩을 충전하는 중요한 기능을 제공합니다. OBC는 트랙션 인버터와 유사한 변환기이지만 벽면의 AC 전원을 배터리에 맞게 DC 전원으로 변환하는 정반대의 기능을 수행합니다.
OBC는 그리드의 AC 공급 전압을 EV 배터리 팩에 필요한 DC 전압 레벨로 변환합니다. (출처: Wolfspeed)
OBC 설계는 AC/DC 변환용 AFE(active front end)와 DC/DC 컨버터라는 두 가지 주요 블록으로 구성됩니다. AFE는 전력망에서 단상 또는 3상 전력을 공급받아 이를 DC 중간 전압으로 출력하여 EV 배터리 고속 충전에 필요한 전압으로 변환합니다.
충전시간, 즉 EV가 충전되는 데 걸리는 시간은 주로 OBC의 전력 정격에 따라 달라집니다. 따라서 OEM이 제공하는 시방서 규격에 따라 충전시간을 결정하는 데 있어 OBC가 설계상 중요한 경쟁의 장이 된 것은 결코 놀라운 일이 아닙니다. 여기서 차세대 전력 반도체는 이전보다 훨씬 더 빠른 충전을 가능케 합니다.
그리고 필요할 때 전력망을 보충하는 데 도움이 될 수 있는 양방향 OBC가 있습니다. 최소한의 손실로 전력을 왔다 갔다 효율적으로 이동하는 양방향 OBC는 고밀도와 고효율의 균형을 조정할 수 있으며 충전 모드와 방전 모드에서 모두 넓은 출력 전압 범위를 제공합니다.
양방향 충전은 그 명칭이 의미하는 것처럼 양방향으로 흐르는 전기를 가리킵니다. (출처: Wallbox)
AC 충전에서 DC 고속 충전으로 전환
대부분의 충전소는 특히 주거지, 사무실 및 상업 장소에서 낮은 기술 장벽, 저렴한 비용, 강력한 적응성 등을 이유로 AC 전원을 사용합니다. 그러나 충전 기술이 성숙해짐에 따라 EV 운전자가 충전할 시간적 여유가 별로 없는 고속도로와 공공 충전소에서도 효율적인 DC 충전이 점차 대중화되고 있습니다.
DC 충전 솔루션은 가정용 충전 부문에도 진출하고 있으며, 고속 충전과 양방향 충전이 가능해 사용자에게 새로운 가능성을 제공하고 있습니다. 이 충전기는 EV에 설치된 OBC를 우회하여 배터리에 고속 DC 충전을 직접 제공합니다.
DC 고속 충전의 경우, 표준 충전 용량은 한때 150kW였으나 이제는 350kW 이상의 높은 용량으로 충전할 수 있습니다. 이러한 개선을 통해 DC 고속 충전소의 충전 용량은 앞으로도 계속 증가하게 될 것입니다. 결과적으로 EV는 더 빨리 충전되며, 이는 충전시간 때문에 도로에서 더 많은 EV를 운행하지 못하는 병목 현상이 발생하지 않도록 하는 데 도움이 됩니다. 또한 DC 고속 충전기는 더 높은 전력 레벨을 허용하므로 충전소는 여러 대의 차량을 동시에 충전할 수 있도록 수많은 충전 지점을 배치할 수 있습니다.
DC 고속 충전기 설계에서는 시스템 효율성을 최적화하면서 충전시간을 최소화하는 것이 중요한 관건에 속하며, 따라서 전압 범위 및 부하 요구 사항은 구성 요소 선택 시 설계상 고려해야 할 사항이 됩니다. 즉, DC 고속 충전기에 사용되는 전력 부품과 모듈 모두에서 전력 밀도와 시스템 효율성은 매우 중요합니다.
1,200V SiC(실리콘 카바이드) MOSFET을 기반으로 구축된 Wolfspeed의 전력 모듈인 WolfPACK을 예로 들어보겠습니다. 이 모듈은 EV 고속 충전 애플리케이션에 서비스를 제공하면서 전력 밀도와 효율성을 최대한 높이고 제품 형상 계수를 축소하며 설계 복잡성을 줄이는 데 그 목적이 있습니다.
SiC 장치는 WolfPACK 전력 모듈의 핵심이자 요체입니다. (출처: Wolfspeed)
또한 모든 스위치에는 드라이버가 필요하고 모든 드라이버는 제어되어야 하지만 마이크로컨트롤러는 EV 충전 설계의 온도 및 전압 모니터링에서 중요한 역할을 담당합니다. 이 MCU는 게이트 드라이버 및 전력 장치와 함께 작동하여 충전 효율성을 높입니다.
초고속 EV 충전
EV 충전소는 이제 e-모빌리티 인프라의 필수적인 부분으로 확실히 자리 잡았습니다. 모멘텀이 SiC 쪽에 있는 것은 분명하지만 EV 충전 설계자는 많은 EV 충전 애플리케이션에서 값비싼 1,200V SiC 충전기를 사용하는 대신, 메인 DC/DC 충전 단계에 650V 실리콘 MOSFET을 계속 사용할 수 있습니다. Infineon의 IKW75N65EH5XKSA1과 같은 IGBT는 주로 비용 우위가 있다는 이유로 여전히 사용되고 있다는 점도 눈여겨볼 부분입니다.
그러나 Infineon의 FF8MR12W2M1B11BOMA1과 같은 1,200V SiC MOSFET은 EV 충전 설계에 최적화되어 있습니다. IDWD20G120C5XKSA1과 같은 SiC 기반 Schottky 다이오드를 믹스에 추가하면 EV 충전 인프라 설계 로드맵 전체에 걸쳐 SiC가 작성됩니다.
마찬가지로 Wolfspeed의 SiC MOSFET과 Schottky 다이오드(예: 각각 C2M0160120D 및 E3D20065D)는 EV 충전 및 DC/DC 컨버터와 같은 고전압 애플리케이션에 맞게 설계 및 최적화되었습니다. 이러한 전력 반도체는 Tesla의 400V 수퍼차저 네트워크에서 Porsche의 Taycan, 기아(Kia) EV6 및 General Motors(GM)의 Hummer EV에서 800V DC 고속 충전 시스템 구현으로 전환하는 작업을 수용합니다. 럭셔리 EV 제조사인 Lucid는 그보다 한 차원 더 높은 900V 아키텍처를 사용하고 있습니다.
이처럼 배터리 충전 전압이 증가하면서 상황은 SiC 부품에 유리한 방향으로 기울어졌습니다. 이는 또한 EV 충전 인프라, 특히 DC 충전기 기술이 빠르게 진화하는 이유를 보여줍니다.
e-모빌리티의 가장 큰 걸림돌인 운전자 불안은 그 본질상 EV 충전 인프라와 관련이 있습니다. 따라서 이 분야의 설계 혁신(초고속 EV 충전에 따른 충전시간 단축)은 필연적으로 EV 매출 및 채택이 증가하는 결과를 낳게 될 것입니다. 어쨌든 여기엔 구성 부품과 설계 구성 요소가 있습니다.