포괄적인 고출력 DC 고속 충전 솔루션

직류(DC) 고속 충전은 더 높은 전력 수준으로 배터리를 충전할 수 있도록 하여 더 빠른 충전 속도, 낮은 손실, 높은 효율성 등의 장점을 제공합니다. 이는 대용량 배터리를 수용할 수 있어 전기차(EV)의 사용 편의성과 실용성을 크게 향상시킵니다. 전기차의 대중화와 발전이 가속화됨에 따라 DC 고속 충전은 현재 EV 충전 애플리케이션에서 주류 기술로 자리 잡았으며, 밝은 시장 전망을 약속하고 있습니다. 이 기사에서는 DC 충전의 애플리케이션 개발 동향과 Infineon, ST 등과 같은 파트너와 협업하여 Arrow Electronics가 선보이는 관련 솔루션에 대해 소개합니다.

DC 고속 충전에 대한 글로벌 전망은 밝습니다

시장 분석에 따르면 2034년까지 DC 급속 충전기가 공공 충전소 시장의 33%를 차지할 것으로 전망됩니다. 예를 들어 미국에서는 초당파적 인프라 법안(Bipartisan Infrastructure Law)에 따라 5년에 걸쳐 50억 달러 규모의 국가 전기차 인프라(NEVI: National Electric Vehicle Infrastructure) 프로그램이 포함되어 있습니다.   유럽, 중동 및 아프리카(EMEA) 지역에서는 2030년까지 350만 개의 충전소를 구축하는 것을 목표로 하고 있으며, 트랜스유럽 네트워크(Trans-European Networks) 전반에 걸친 전기 급속 충전 시설을 포함한 대체 연료 인프라를 위해 150억 유로의 투자가 승인되었습니다.   아시아 태평양 지역에서는 2030년까지 ASEAN 시장이 9만 5천 개의 공공 AC 충전소와 4만 개의 DC 충전소를 요구할 것으로 맥킨지(McKinsey)는 추정하고 있으며, 이는 현재 숫자 대비 30배 증가한 것입니다. 이 중 중국이 시장 점유율의 90% 이상을 차지할 것으로 보입니다.   DC 충전 응용 분야는 일반적으로 50kW에서 350kW의 전력 범위를 포함할 것입니다. 전 세계적으로 DC 충전기의 수는 2023년에 86만 8천 개에 도달했으며, 이는 2022년의 33만 개 대비 60% 이상 증가한 것입니다. 2030년 로드맵에 따르면 미국은 50만 개의 급속 충전기를 보유할 것으로 예상되며, EU는 350만 개의 충전소를 보유하게 되어 상당한 시장 성장 잠재력을 나타냅니다.

30kW 전기차 충전기 원스톱 솔루션

Arrow의 자회사인 eInfochips는 DC 급속 충전 시장의 발전 가능성에 대해 낙관적으로 바라보고 있으며, 30kW 전기차 충전기의 원스톱 솔루션을 출시했습니다. eInfochips의 DC 급속 충전기 디자인은 지능적이며 연결되고 미래 지향적인 DC 충전기입니다.   eInfochips DC 충전기는 1000니트 밝기의 10인치 대형 HMI 디스플레이를 갖추고 있으며 LED와 스피커를 통해 알림을 제공할 수 있습니다. LED는 전력 상태, 고장, 충전 상태를 표시할 수 있으며, 3W 스피커 출력을 통해 사용자 알림을 제공합니다. 원격 관리는 eInfochips의 지적 재산인 EVWER를 사용하여 활성화됩니다. 충전기는 CCS1/CCS2 충전 표준을 지원하며, 초소형 형태의 에너지 측정을 통합하고 스마트 충전/V2G 애플리케이션을 위한 OCPP 1.6J/ISO15118 표준과 호환됩니다. 또한, 과전압, 과전류, 서지 및 기타 시스템 안정장치를 포함한 내장된 보호 기능을 제공하며, 정격 전력은 30kW/60A입니다.   eInfochips DC 충전기는 전력 모듈과 SECC 유닛으로 구성된 모듈형 제품입니다. 입력 보호로 과전압/저전압, 과온, 과전류, 접지 고장, RCD/CCID 장치, 단락, 서지, 긴급 중지 등을 지원합니다. 출력 보호 기능으로는 과온, 과전류, DC 고전압(입출력), 갈바닉 절연 및 감전 보호(DC 절연 모니터링)가 포함됩니다. 이 충전기는 기가비트 이더넷 및 Wi-Fi 네트워크 인터페이스를 갖추고 있으며 OCPP 1.6J 네트워크 통신, ISO15118, IEC 61851-23, -24 차량 통신, CCS1/CCS2 충전 인터페이스와 에너지 측정 기능을 지원합니다.   이 포괄적인 전기차 충전 솔루션에는 클라우드 비종속형 솔루션(Azure, AWS, GCP) 개발, 고급 충전 기능 구현, 알림, 푸시 알림, 보고 및 대시보드 제공, 데이터 집계 및 분석 기능을 포함한 소프트웨어/디지털 플랫폼 개발이 포함됩니다. CE, FCC, UL, RoHS, REACH 등 인증 및 사전 준수 테스트를 거치며, 기능 테스트, EDVT, 열 테스트, IP67, 충격, 고압 세척 및 UV 방사선과 같은 기계적 시험을 지원하며, 품질 보증 및 테스트 자동화도 포함됩니다.   또한 이 전기차 충전 솔루션은 다중 테난트 웹 기반 플랫폼에 기반한 Android/iOS 크로스 플랫폼 모바일/WebApp 개발을 지원합니다. 풀스택 디자인, UI/UX, 앱 분석, 다국어 지원 등을 포함하며, 펌웨어 개발 측면에서 Linux, RTOS, Android와 같은 운영 체제의 BSP 개발/커스터마이징/테스트를 지원하여 펌웨어 애플리케이션, OTA 업데이트, 사이버 보안, 디바이스 드라이버, HAL, 미들웨어 및 라이브러리를 활성화합니다.   이 솔루션은 또한 제조 дизай닝부터 생산까지의 원스톱 제조 서비스(MaaS)를 제공하며, 제조 및 조립 설계, 부품/공급망 관리, 15개 이상의 계약 제조업체에 대한 접근을 지원합니다. 하드웨어 디자인은 OCPP를 준수하며 전기차 충전기 설계에 맞춰 내장, 산업, 기계 설계, 부품/BoM, 아키텍처, PCB 설계, 배치, 신호 무결성, 보드 시동, 프로토타입 설계, DFA/DFM 및 기타 자원을 지원합니다. 또한, 제품 라이프사이클 관리, 기존 자산 현대화, L1/L2/L3 지원, 24x7 NOC, SLA 관리, DevOps/CloudOps 등 관리 서비스를 제공합니다.

최대 1200V DC 이상의 고전압 배터리 충전 솔루션 지원

전기차 배터리 전압이 400V에서 800V로 상승함에 따라 전력 장치의 정격 전압도 구리 와이어의 무게를 줄이고 전력 밀도를 향상시키기 위해 1200V 이상으로 증가하고 있습니다. 이 수요를 충족하기 위해, 인피니언(Infineon)은 최신 CoolSiC™ MOSFET 기술을 사용하여 하프 브리지 구성을 위한 62 mm 모듈 구동에 설계된 게이트 드라이버 보드인 EVAL-FFXMR20KM1HDR CoolSiC™; MOSFET 2kV 62 mm SiC MOS 하프 브리지 모듈 평가 보드를 출시하였습니다. 이 보드는 소형 게이트 드라이버 1ED3890MC12M과 부스트 스테이지 장치를 통합하여 신뢰성 있고 빠른 제어성을 가진 드라이버 출력 전력을 향상시킵니다.   이 하프 브리지 모듈 평가 보드는 소스와 싱크 게이트 연결이 분리된 최적의 게이트 구동을 위해 CoolSiC™ 트렌치 MOSFET 기술을 탑재한 62 mm, 2kV 모듈을 특징으로 합니다. 이 보드는 I2C 버스를 통해 매개변수 조정이 가능한 1ED3890MC12M 또는 1ED3890MU12M(X3 디지털) 드라이버 IC를 활용하며 하드웨어 저전압 차단(UVLO) 보호를 지원합니다. 적절한 PCB 설계를 통해 작동 중 PCB 발열을 제한할 수 있으며, 조정 가능한 두 단계 턴오프(TLTO), 플래토 시간 및 플래토 레벨과 같은 기능을 제공합니다. 또한, -5V에서 0V 범위의 음전압 조정을 방지합니다. 이 장치 테스트는 플러그 앤 플레이(Plug-and-play) 방식으로 즉시 사용 가능한 보드 솔루션을 제공하며 높은 스위칭 주파수에 적합한 높은 양극 전압 조정을 제공하며, 전기차 충전, 태양광 발전, 무정전 전원 공급 장치(UPS) 등의 응용 분야에 적합하도록 설계된 PCB를 통해 작동 중 PCB 발열을 억제하는 이점을 제공합니다.   이 평가 보드에 사용된 EiceDRIVER™ 1ED38x0Mc12M Enhanced는 I2C 구성 가능성을 갖춘 단일 채널 5.7 kV(rms) 절연 게이트 드라이버 IC로, DESAT, 소프트 오프(soft-off), UVLO, 밀러 클램프(Miller clamp), 선택적 두 단계 턴오프 기능에 적합합니다. 이 게이트 드라이버는 650V, 1200V, 1700V, 2300V IGBT, SiC, 및 Si MOSFET과 호환됩니다.   게이트 드라이버는 40V 절대 최대 출력 전원 공급 전압을 지원하며, ±3A, ±6A, ±9A의 공급 및 소싱 피크 출력 전류를 제공하여 하드 스위칭 또는 선택적 두 단계 턴오프 및 활성 밀러 클램프에 적합합니다. I2C 버스는 매개변수 구성 및 상태 레지스터 판독에 사용되며, 정밀하고 조정 가능한 온도 보상형 V_CEsat 감지(DESAT)와 결함 출력, 디세츄레이션 감지 후 조정 가능한 IGBT 소프트 턴오프를 지원합니다. 또한 최대 125°C의 높은 주변 온도에서도 동작 가능하며, 160°C(±10°C)에서 과온 차단을 지원합니다.   이 게이트 드라이버는 IC 간 전파 지연 정합(t_PDD, max = 30 ns)을 지원하며, 입력 및 출력 측의 저전압 차단 보호와 활성 종료 기능을 갖추고 있습니다. 내장된 ADC 컴퍼레이터는 구성 가능한 피드백 또는 결함 오프 동작을 생성할 수 있으며, 200 kV/μs의 높은 공통 모드 과도 내성(CMTI)을 제공합니다. 이 드라이버는 8mm 이상의 긴 절연 거리를 가진 소형 DSO-16 파인 피치 패키지로 패키징되었으며, UL 1577 및 VDE 0884-11 안전 인증에 따라 산업 응용 요구 사항을 충족하도록 인증되었습니다.

30kW 전기차 충전기 파워 모듈 원스톱 솔루션

ST는 디지털 제어를 사용한 30kW Vienna PFC 정류기 레퍼런스 설계(STDES-30KWVRECT)를 포함하여 30kW 전기차 충전 솔루션을 제공합니다. 이 레퍼런스 설계는 3단 Vienna 토폴로지 기반의 고전력 삼상 액티브 프론트 엔드(AFE) 정류기 애플리케이션을 위해 특별히 설계되었으며, 포괄적인 디지털 전력 솔루션을 제공합니다.   SCTWA90N65G2V-4와 STPSC40H12C를 활용하여 플랫포름은 98.5% 이상의 최고 효율을 달성합니다. STM32G474RE 혼합 신호 고성능 마이크로컨트롤러를 사용하여 완전 디지털 제어를 가능하게 하며, 역률 제어, DC 전압 제어, 소프트 스타트업을 정밀히 수행합니다. STDES-30KWVRECT는 저조화왜곡(THD, 풀 로드 시 5% 미만)과 높은 역률(풀 로드 시 0.99 이상)을 달성하며, 고대역폭 연속 전도 모드(CCM) 전류 조절을 제공합니다.   이 레퍼런스 설계는 삼상 3단 AC-DC 전력 변환기를 포함하며, 정격 DC 전압 800 V와 정격 AC 전압 400 V를 지원하며 최대 출력 전력 30 kW 및 0.99 이상의 역률을 제공합니다. 또한, 돌입 전류 제어, 소프트 스타트업, 명목 동작 시 5% 미만의 THD를 갖추고 있습니다.   SiC MOSFET 및 SiC 다이오드를 기반으로 하는 전력 섹션에서는 70 kHz의 고주파 작동을 지원하며, 98.5% 이상의 효율을 달성합니다. 병렬 SiC MOSFET은 균등한 전류 분배를 통해 더 높은 전력을 가능하게 하며, 수동 소자의 크기와 무게를 줄입니다.   STM32G474RE 마이크로컨트롤러를 기반으로 하는 제어 섹션은 SWD–UART, I²C 및 DAC와 같은 제어 및 모니터링 인터페이스와 64핀 디지털 전력 커넥터를 포함합니다. LED상태 표시등은 사용자 인터페이스 역할을 하며, 4개의 통합된 고성능 연산 증폭기가 추가적인 기능을 제공합니다.   이와 함께 ST는 전기차 충전기에 적합한 STM32G4를 사용하는 30 kW SiC MOSFET DC-DC 컨버터를 도입했습니다. 이 디지털 제어 DC 충전 모듈인 30 kW 삼상 LLC 레퍼런스 설계(STDES-30KWLLC)는 정격 출력 전력이 30 kW이고, 100-300 kHz의 스위칭 주파수에서 작동하며, DC 입력 전압 650 VDC–850 VDC와 DC 출력 전압 200 VDC–1000 VDC를 지원합니다. 이 설계는 98% 이상의 최고 효율을 달성하며 고성능 32비트 MCU인 STM32G474를 통합합니다. PFM 모드에서 작업하며, 저전압 보호(UVP), 과전압 보호(OVP), 과전류 보호(OCP)와 같은 입력 보호 및 OVP, OCP 기능을 포함한 출력 보호를 제공합니다.   1200 V SiC 장치와 고스위칭 주파수를 기반으로 한 이 컨버터는 적은 수의 SiC MOSFET을 사용하여 높은 효율을 달성하며, 광범위하고 높은 출력 전압에서 단일 LLC 컨버터를 통해 더 높은 전력을 달성할 수 있습니다.   ST는 또한 전기차 충전소용 30 kW 삼상 Vienna 정류기를 제공합니다. 이 정류기는 주파수 47 Hz~63 Hz에서 삼상 345 VAC에서 460 VAC의 입력 전압을 수용하며, 최대 입력 전류는 55 ARMS입니다. DC 출력 전압은 800 VDC이고, 정격 출력 전력은 30 kW이며, 70 kHz의 스위칭 주파수로 작동하며 98.7% 이상의 최고 효율을 자랑합니다. 풀 로드 작업 시, 역률은 0.99, THD는 5% 미만이며 고성능 32비트 MCU, STM32G474을 통합합니다. 이 30 kW 삼상 Vienna 정류기는 SiC 장치를 기반으로 높은 효율과 초저 THD(총 고조파 왜곡)를 달성하며, 설계 복잡성을 낮춥니다.   또한, 디지털 제어를 사용하는 워밍업용 60 kW 삼상 병렬 LLC도 제공됩니다. 이 컨버터는 DC 입력 전압 650 VDC–850 VDC와 DC 출력 전압 200 VDC–1000 VDC로 작동하며, 60 kW의 정격 출력 전력과 98% 이상의 최고 효율을 제공합니다. 앞서 언급된 제품처럼, STM32G474 고성능 32비트 MCU를 통합했으며, SiC 장치를 기반으로 하여 광범위하고 높은 출력 전압에서 더 높은 전력 애플리케이션을 위한 병렬 LLC로 더 적은 SiC MOSFET을 사용하면서 높은 효율을 제공합니다.   STM32G4 및 SiC를 기반으로 한 ST의 솔루션은 PFC 및 DCDC에 대한 토털 솔루션을 포함하여 고성능 전기차 충전기에 기여할 것입니다. 이러한 솔루션은 고객에게 고급 부품(SiC MOSFET, SiC 다이오드, STGAP, STM32)을 제공합니다. 30 kW 삼상 솔루션은 160 kHz 및 700 V 출력 조건에서 하프 로드로 98%의 최고 효율을 달성합니다.

결론

DC 급속 충전은 전기차 응용 분야에서 점점 더 중요해지고 있으며, 빠르게 발전하며 현대 전기차 기술에서 핵심적인 역할을 하고 있습니다. DC 급속 충전 시스템은 AC 충전에 비해 더 높은 충전 전력을 배터리에 전달할 수 있어 배터리를 더 빠르게 충전할 수 있습니다. 이러한 진보는 전기차의 확산과 발전을 중요한 방식으로 지원하며, 전체 사용자 경험 및 사용성을 향상시킵니다. 이 기사에서 설명된 솔루션은 고객을 위한 DC 급속 충전 제품 설계 과정을 가속화하는 데 도움을 줄 것입니다. 이러한 기술에 대한 추가 정보를 원하시는 경우, Arrow에 직접 연락하여 더 많은 기술 세부 사항을 탐구하고 이러한 솔루션을 귀하의 프로젝트에 어떻게 통합할 수 있는지 논의해 보시기 바랍니다.