25kW DC 고속 전기 차량 충전기를 위한 설계 팁 및 솔루션

직류 고속 충전은 전기차 충전 효율성을 향상시킵니다

직류(DC) 급속 충전 기술은 현대 전기차(EV) 충전의 핵심적인 방법으로, 충전 시간을 대폭 단축하고 사용자 편의성과 효율성을 향상시킵니다.

DC 급속 충전에 관련된 주요 기술은 충전 표준에서 시작됩니다. 현재 CHAdeMO, 결합 충전 시스템(CCS), 테슬라 수퍼차저 등 다양한 충전 표준이 존재합니다. 다양한 브랜드와 모델의 전기차(EV)는 각기 다른 충전 표준을 지원할 수 있으므로 충전 장치를 선택할 때 충전 장비와 차량 간의 호환성을 확인하는 것이 중요합니다. 

게다가 DC 고속 충전은 일반적으로 AC 충전에 비해 더 높은 충전 전력을 제공하여 배터리에 빠르게 에너지를 전달할 수 있습니다. 충전 전력 수준은 충전 속도와 효율성에 큰 영향을 미칩니다. 따라서 EV의 요구 사항과 충전 장비의 사양에 따라 적절한 충전 전력을 선택하는 것이 중요합니다.

DC 고속 충전은 일반적으로 충전소나 특정 장소에 설치된 전용 충전 장비를 필요로 합니다. 충전 중에는 과열, 과충전 또는 기타 안전 위험을 피하는 등 충전 안전 문제에 주의하는 것이 중요합니다. 일반적으로 충전 장비와 전기 자동차(EV) 모두 안전 메커니즘이 탑재되어 있습니다. 하지만 사용자는 충전 과정에서 발생할 수 있는 이상 증상에 대해 항상 경계해야 하며, 필요한 경우 신속하게 대응하거나 충전을 중단해야 합니다. 완속 충전과 비교할 때, DC 고속 충전은 배터리에 더 큰 영향을 미칩니다. 따라서 DC 고속 충전의 빈도를 적절히 조절하여 과도한 사용을 피하는 것이 배터리 수명과 성능에 영향을 주지 않도록 하는 데 권장됩니다.

DC 급속 충전 기술은 전기차의 충전 속도와 편리성을 효과적으로 개선하지만, 안전하고 신뢰할 수 있는 충전 과정을 보장하기 위해 사용 중에는 충전 표준, 충전 전력, 충전 장비, 및 충전 안전 문제를 고려하는 것이 중요합니다.

SiC 모듈은 DC 고속 충전 기술의 핵심 구성 요소입니다

실리콘 카바이드(SiC) 모듈은 DC 고속 충전 기술에서 중요한 구성 요소로, SiC MOSFET과 SiC 다이오드로 구성되어 있습니다. 부스트 모듈은 태양광 인버터의 DC-DC 단계에서 사용되며, 1200V 등급의 SiC MOSFET과 다이오드를 활용합니다.

SiC 모듈은 전력 변환을 통해 시스템 효율을 향상시키기 위해 실리콘 카바이드 반도체를 스위치로 사용하는 전력 모듈입니다. SiC 모듈의 주요 기능은 전력 변환입니다. 실리콘 카바이드는 저항이 낮아 더 높은 효율을 제공하기 때문에 실리콘에 비해 많은 이점을 제공합니다. 이는 SiC 디바이스가 더 높은 스위칭 주파수에서 작동할 수 있도록 합니다. SiC 기반 시스템은 실리콘 솔루션에 비해 더 작고 가벼워 더 소형화된 설계를 가능하게 합니다. 따라서 SiC 디바이스는 효율을 향상시키고 열 관리 성능을 개선할 수 있는 이상적인 솔루션입니다.

DC 고속 충전이 직면한 문제를 해결하기 위해, 온세미(onsemi)는 SiC 기술과 패키징 솔루션에서 지속적으로 혁신을 이루며 전기차 충전기 설계 과정을 간소화하는 것을 목표로 하고 있습니다. 온세미는 광범위한 디스크리트 전력 및 아날로그 솔루션, 보호 장치, 센서, 그리고 연결 제품을 활용해 고품질 구성 요소와 고객 요구사항에 맞춘 맞춤형 시스템을 제공합니다. 20년 이상의 축적된 시스템 전문성을 바탕으로 온세미는 이러한 모든 기술을 통합하여 전기차 충전을 위한 종합적인 솔루션을 제공합니다.

고속 전기차 충전기의 설계 과제

컴팩트하고 효율적이며 신뢰할 수 있는 고속 전기차(EV) 충전기를 설계하는 것은 쉬운 일이 아닙니다. 실제 전력 변환 회로 외에도 하드웨어 보호 기술은 중요한 요소이며, 설계자는 다양한 '만약에' 시나리오를 분석해야 합니다. 솔루션에는 수동 RC 네트워크로 구성된 스너버와 차단 구성 요소가 포함될 것입니다. 

과도한 전압 및/또는 전류는 항상 문제를 유발할 수 있으므로 전력 반도체가 손상되지 않도록 보호가 필요합니다. 한 가지 기술은 정해진 임계값과 히스테리시스를 갖춘 전압 비교기를 추가하는 방법입니다. 과전압이 감지되면 이 비교기가 게이트 드라이버를 차단합니다.

과전류는 더 까다로울 수 있지만, 온세미(onsemi)의 NDC57000 게이트 드라이버는 과전류 비포화 보호(DESAT) 기능을 제공하여 이를 최소한의 자재 명세서(BOM) 및 제품 비용 영향을 통해 해결합니다. 이러한 하드웨어 보호 기능은 특히 테스트와 디버깅, 예측할 수 없는 스위칭이 가장 많이 발생하는 초기 가동 단계에서 매우 중요합니다. 

NDC57000은 실리콘 카바이드(SiC) 파워 통합 모듈(PIM)을 보호하기 위해 역률 보정(PFC) 단계에서 사용될 수 있으며, DESAT 트립 전류 임계값을 평가하는 테스트 방법론을 설명합니다. 이는 필수적인 기능 테스트입니다. DC 링크 커패시터는 필요한 피크 트립 전류를 제공하며, 모듈을 켜기 위해 게이트에 펄스를 주입하여 DESAT 보호 기능이 작동되도록 합니다. 테스트 결과를 통해 이론적 값과 실제 값이 비교될 수 있으며, 이에 따라 설계 조정이 이루어질 수 있습니다. 

주요 듀얼 액티브 브리지(DAB) DC-DC 컨버터의 경우, NDC57000도 사용할 수 있으며 전압 강하를 이용해 전류 수준을 모니터링할 수 있습니다. 하지만 이 방법은 소자의 특성에 민감하며, 일부 정보가 데이터시트에 포함되어 있지만, 프로토타입 검증이 여전히 필요합니다.

또 다른 접근 방식은 프로토타입을 제작하기 전에 시뮬레이션을 통해 매개변수를 더 정확하게 설정하는 것입니다. 이를 통해 비파괴적 시뮬레이션이 가능하며, 1차 및 2차 단락 효과를 이해할 수 있습니다. DESAT 보호의 분리형 향상은 출력 전압 범위가 200~1000V에 이르는 DC-DC 단계 설계자를 위한 넓은 작동 전압 범위 솔루션을 제공합니다.

SiC 기술의 주요 장점 중 하나는 고주파에서 작동할 수 있는 능력입니다. 그러나 이러한 능력은 빠른 dv/dt 슬루율을 의미하며, 이는 25 kW 고속 충전기의 물리적 레이아웃에 영향을 미칠 수 있습니다. 기생 인덕턴스를 최소화하기 위해 레이아웃 최적화가 필수적이며, 특히 전원 공급 경로에서 더욱 중요합니다. 또한, 손상과 EMI 문제를 유발할 수 있는 오버슈트와 링잉을 최소화하기 위해 여러 지점에서 스너버 회로가 필요합니다.

시스템 수준의 제어는 또 다른 중요한 영역입니다. 25kW 고속 충전기에서는 PFC와 DAB 내에 여러 폐루프 컨트롤러가 장착되어 변압기의 활성 플럭스 균형 및 출력 전압과 전류 조절을 위한 1차-2차 위상 이동과 같은 매개변수를 제어합니다. 이 경우 중요한 과제 중 하나는 전체 시스템 안정성을 보장하기 위해 각 루프의 이득(Gain)을 선택하는 것입니다. 

테스트에 필요한 고출력 장비로 인해 디자이너는 종종 제어된 조건에서 안전한 테스트를 수행할 수 있도록 두 개의 PFC 단계와 하나의 DAB를 포함한 루프백 구성을 벤치에서 구축합니다. 루프백 테스트는 대량 생산의 번인 단계에서도 적용 가능하며, 테스트된 장치에서 에너지를 회수하여 전 세계적으로 저탄소 배출이라는 목표를 달성하기 위해 상당한 제조 비용을 절감할 수 있습니다.

고효율 및 신뢰할 수 있는 IGBT 드라이버

onsemi의 NCD57000은 내부 갈바닉 절연이 포함된 고전류 단일 채널 IGBT 드라이버로, 고출력 애플리케이션에서 높은 시스템 효율성과 신뢰성을 위해 특별히 설계되었습니다. 주요 기능으로는 상호보완 입력, 오픈 드레인 FAULT 및 Ready 출력, 활성 밀러 클램프, 부정 게이트 전압, 정확한 UVLO, DESAT 보호, DESAT 소프트 턴오프, IGBT 밀러 플래토 전압에서의 고전류 출력 지원(+4/-6 A), 짧은 전파 지연 시간과 정확한 매칭, 높은 과도 전압 및 전자기 면역성, 그리고 독립적인 하이(OUTH) 및 로우(OUTL) 드라이버 출력을 제공하여 시스템 설계를 용이하게 하는 5 kV 갈바닉 절연 기능을 포함하고 있습니다. 

NCD57000은 입력 측에서 5V 및 3.3V 신호를 처리하며, 드라이버 측에서는 넓은 바이어스 전압 범위와 음전압 기능을 제공합니다. UL1577 등급에 따른 >5 kVrms 갈바닉 절연 및 >1200 Viorm(작동 전압) 기능을 제공합니다. NCD57000은 입력과 출력 간 8mm 크리페이지 거리를 갖춘 와이드바디 SOIC-16 패키지로 포장되어 강화된 안전 절연 요구 사항을 충족합니다.

고객 제품 개발을 가속화하기 위해 온세미(onsemi)는 NCD57000을 위한 레퍼런스 디자인 키트를 제공합니다. SEC-25KW-SIC-PIM-GEVK는 SiC 전력 통합 모듈 기반의 25kW 고속 DC 전기 자동차 충전기 레퍼런스 디자인 키트입니다. 이 완전한 SiC 솔루션은 초저 RDS(ON)과 최소화된 기생 인덕턴스를 특징으로 하는 여러 개의 1200V, 10mΩ 하프 브리지 SiC 모듈 NXH010P120MNF1을 포함하는 PFC 및 DC-DC 스테이지로 구성되어 있으며, 도전 손실과 스위칭 손실을 크게 줄입니다. Zynq®-7000 SoC FPGA와 ARM® 기반 프로세서를 탑재한 강력한 범용 컨트롤러 보드(UCB)를 활용하여 이 시스템은 200V에서 1000V까지 출력 전압 범위에서 최대 25kW의 전력을 공급하며, 400V 또는 800V 전기 자동차 배터리를 충전할 때 96%의 전시간 효율을 달성합니다. 

SEC-25KW-SIC-PIM-GEVK는 고전류 드라이버 NCD57000과 절연 기능이 포함된 SECO-HVDCDC1362-40W-GEVB 보조 전력 솔루션도 특징으로 하며, 저전압 구성 요소를 위한 안정적인 전압 레일, 돌입 전류 제어, 과전압 보호 통합, 그리고 다수의 통신 인터페이스를 제공합니다.

SEC-25KW-SIC-PIM-GEVK는 EN55011 Class A 및 IEC 61851 표준을 준수하며 400V/800V 배터리의 양방향 전력 변환을 위한 삼상 PFC 및 DAB를 지원합니다. 이 제품은 반브리지, 1200V, 10mΩ SiC M1 MOSFET이 탑재된 NXH010P120MNF1 SiC 모듈과, NCD57000과 같은 고효율 고전류 절연 게이트 드라이버를 통합하고 있습니다.

결론

DC 고속 충전 기술은 전기차 충전 분야에서 획기적인 돌파구로, 더욱 편리하고 효율적인 전기차 충전 방법을 제공합니다. 기술의 지속적인 발전과 응용을 통해 DC 고속 충전은 현대 전기차를 충전하는 주요 방법 중 하나로 자리 잡았습니다. 이 글에서는 25 kW DC 고속 충전기의 설계 기법과 onsemi가 제시한 관련 솔루션에 대해 논의하며, DC 고속 충전 제품 개발을 가속화하고 시장에서 경쟁 우위를 확보하는 것을 목표로 하고 있습니다.