25kW DC 급속 전기차 충전기를 위한 설계 팁 및 솔루션

직류 고속 충전으로 전기차 충전 효율 향상

직류 (DC) 고속 충전 기술은 현대 전기 자동차 (EV) 충전의 중요한 방법으로, 충전 시간을 크게 줄이고 사용자 편의성과 효율성을 향상시킵니다.

DC 급속 충전에 사용되는 주요 기술은 충전 표준에서 시작됩니다. 현재 CHAdeMO, 복합 충전 시스템(CCS), Tesla Supercharger 등 다양한 충전 표준이 있습니다. 다양한 브랜드와 모델의 전기차(EV)가 서로 다른 충전 표준을 지원할 수 있기 때문에, 충전 장비를 선택할 때 충전 장치와 차량 간의 호환성을 보장하는 것이 중요합니다. 

게다가, DC 고속 충전은 일반적으로 AC 충전에 비해 더 높은 충전 전력을 제공하여 배터리에 빠른 에너지 전송을 가능하게 합니다. 충전 전력 수준은 충전 속도와 효율성에 상당한 영향을 미칩니다. 따라서 EV의 요구사항과 충전 장비의 사양에 따라 적절한 충전 전력을 선택하는 것이 중요합니다.

DC 고속 충전은 일반적으로 충전소나 특정 위치에 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 EV 모두 안전 메커니즘을 갖추고 있지만, 사용자들은 충전 과정 중 발생할 수 있는 이상 현상을 주의 깊게 관찰하고, 필요 시 신속히 조치를 취하거나 충전을 중단해야 합니다. 느린 충전에 비해 DC 고속 충전은 배터리에 더 큰 영향을 미칩니다. 따라서 DC 고속 충전의 빈도를 적절히 조절하여 과도한 사용을 피하는 것이 배터리 수명과 성능에 영향을 미치지 않도록 권장됩니다.

DC 고속 충전 기술이 전기차의 충전 속도와 편리성을 효과적으로 개선하지만, 안전하고 신뢰할 수 있는 충전 과정을 보장하기 위해 사용 중 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 필수적인 구성 요소로, SiC MOSFET와 SiC 다이오드로 구성됩니다. 부스트 모듈은 태양광 인버터의 DC-DC 단계에서 사용되며, 1200V 등급의 SiC MOSFET와 다이오드를 활용합니다.

SiC 모듈은 실리콘 카바이드 반도체를 스위치로 사용하는 전력 모듈로, 전력을 효율적으로 변환하여 시스템 효율성을 향상시키는 것을 목표로 합니다. SiC 모듈의 주요 기능은 전력 변환입니다. 실리콘 카바이드는 소스로부터 멀어지는 저항이 낮아 효율성이 향상되며, SiC 디바이스가 더 높은 스위칭 주파수에서 작동할 수 있도록 하는 이점이 있습니다. SiC 기반 시스템은 실리콘 솔루션에 비해 더 컴팩트하고 가벼워 작고 효율적인 디자인을 가능하게 합니다. 따라서 SiC 디바이스는 효율성을 향상시키고 열 관리 성능을 강화하는 데 이상적인 솔루션입니다.

DC 급속 충전에서 직면하는 과제를 해결하기 위해, onsemi는 SiC 기술 및 패키징 솔루션에서 지속적으로 혁신을 이루며 전기차 충전기의 설계 과정을 간소화하는 것을 목표로 하고 있습니다. 분리형 전력 및 아날로그 솔루션, 보호 장치, 센서, 연결 제품으로 구성된 포괄적인 포트폴리오를 활용하여, onsemi는 고객의 요구에 맞춘 고품질 부품과 맞춤형 시스템을 제공합니다. 20년 이상의 누적된 시스템 전문 지식을 바탕으로, onsemi는 이러한 모든 기술을 통합하여 전기차 충전에 대한 종합 솔루션을 제공합니다.

고속 전기차 충전기의 설계 과제

컴팩트하고 효율적이며 신뢰할 수 있는 빠른 전기차(EV) 충전기를 설계하는 것은 쉬운 일이 아닙니다. 실제 전력 변환 회로 외에도 하드웨어 보호 기술이 중요하며, 이는 설계자가 다양한 '가정' 시나리오를 분석해야 합니다. 솔루션에는 수동 RC 네트워크와 차단 구성 요소로 구성된 스너버가 포함될 것입니다. 

과도한 전압 및/또는 전류는 항상 우려 사항이므로 전력 반도체가 손상되지 않도록 보호가 필요합니다. 한 가지 기술은 정의된 임계값과 히스테리시스를 가진 전압 비교기를 추가하는 것입니다. 과전압이 감지되면, 이 비교기는 게이트 드라이버를 차단합니다.

과전류는 더 어려울 수 있지만, onsemi의 NDC57000 게이트 드라이버는 과전류 디세츄레이션 보호(DESAT) 기능을 갖추고 있어 자재 명세서(BOM)와 제품 비용에 최소한의 영향을 미치면서 이를 해결합니다. 이러한 하드웨어 보호는 특히 예측할 수 없는 스위칭이 가장 가능성이 높은 초기 가동 단계 동안 테스트 및 디버깅 시 매우 중요합니다. 

NDC57000은 실리콘 카바이드(SiC) 전력 통합 모듈(PIM)을 보호하기 위해 전력 인자 교정(PFC) 단계에서 사용할 수 있으며, DESAT 트립 전류 임계값을 평가하기 위한 테스트 방법론을 설명하는 데 사용됩니다. DC 링크 커패시터는 필요한 피크 트립 전류를 제공하고, 게이트에 펄스를 주입하여 모듈을 켜고 DESAT 보호가 트립될 수 있도록 합니다. 테스트 결과, 이론적 값과 실제 값을 비교할 수 있으며, 이에 따라 설계를 조정할 수 있습니다. 

주요 듀얼 액티브 브리지(DAB) DC-DC 컨버터의 경우, NDC57000을 사용하여 전압 강하를 기반으로 전류 레벨을 모니터링할 수도 있습니다. 그러나 이 방법은 장치 특성에 민감하며, 일부 정보는 데이터시트에 포함되어 있지만 여전히 프로토타입 검증이 필요합니다.

다른 접근 방식으로는 프로토타입 제작 전에 시뮬레이션을 통해 매개변수를 보다 정확하게 설정하는 방법이 있습니다. 이를 통해 비파괴적인 시뮬레이션을 수행하고 주요 및 부차적 단락 효과를 이해할 수 있습니다. DESAT 보호의 단일 디스크리트 향상 기능은 DC-DC 단계 설계자에게 200-1000V 출력 전압 범위를 포괄하는 폭넓은 작동 전압 범위 솔루션을 제공합니다.

SiC 기술의 주요 이점 중 하나는 높은 주파수에서 작동할 수 있는 능력입니다. 그러나 이는 빠른 dv/dt 스루 레이트를 의미하며, 이는 25 kW 고속 충전기의 물리적 배치에 영향을 미칠 수 있습니다. 기생 인덕턴스를 최소화하기 위해 레이아웃 최적화가 필수적이며, 특히 전원 공급 경로에서 중요합니다. 또한, 손상을 초래하거나 EMI 문제를 유발할 수 있는 오버슈트와 링잉을 최소화하기 위해 여러 지점에서 스너버 회로가 필요합니다.

시스템 수준의 제어는 또 다른 중요한 영역입니다. 25 kW 고속 충전기에서는 PFC 및 DAB 내부에 여러 개의 폐루프 컨트롤러가 장착되어 변압기에서의 활성 플럭스 균형 조정 및 출력 전압과 전류를 조절하기 위한 1차에서 2차로의 단계 이동과 같은 매개변수를 제어합니다. 여기서의 한 가지 과제는 전체 시스템 안정성을 보장하기 위해 각 루프의 게인을 선택하는 것입니다. 

테스트에 필요한 고출력 장비로 인해, 설계자들은 종종 제어된 조건에서 안전한 테스트를 수행할 수 있도록 두 개의 PFC 단계와 하나의 DAB를 사용하여 벤치에서 루프백 구성을 제작합니다. 루프백 테스트는 또한 대량 생산의 번인(burn-in) 단계에서도 적용되며, 테스트된 기기에서 에너지를 회수함으로써 제조 비용을 상당히 절감할 수 있어 세계적인 저탄소 배출 미션을 달성하는 데 기여합니다.

고효율 및 신뢰성 높은 IGBT 드라이버

onsemi의 NCD57000은 내부 갈바닉 절연을 갖춘 고전류 단일 채널 IGBT 드라이버로, 고출력 애플리케이션에서 높은 시스템 효율과 신뢰성을 위해 설계되었습니다. 주요 기능으로는 상보입력, 오픈 드레인 FAULT 및 Ready 출력, 액티브 밀러 클램프, 음의 게이트 전압, 정확한 UVLO, DESAT 보호, DESAT 소프트 턴오프, IGBT 밀러 플래토 전압에서의 고전류 출력 지원 (+4/-6 A), 짧은 전파 지연과 정확한 매칭, 높은 과도 전자기 면역성, 독립적인 고/저 (OUTH 및 OUTL) 드라이버 출력을 통한 설계 용이성을 제공하는 5 kV 갈바닉 절연 능력이 포함됩니다. 

NCD57000은 입력 측에서 5V 및 3.3V 신호를 수용하며, 드라이버 측에서는 음전압 기능을 포함한 넓은 바이어스 전압 범위를 제공합니다. 이 제품은 >5 kVrms (UL1577 등급) 갈바닉 절연 및 >1200 Viorm (작동 전압) 기능을 제공합니다. NCD57000은 입력과 출력 간 8mm의 연면 거리를 가지며, 강화된 안전 절연 요구사항을 충족하기 위해 와이드 바디 SOIC-16 패키지로 제공됩니다.

고객의 제품 개발을 가속화하기 위해, onsemi는 NCD57000을 위한 참조 설계 키트도 제공합니다. SEC-25KW-SIC-PIM-GEVK는 SiC 전력 통합 모듈 기반의 25 kW 고속 DC 전기차 충전기 참조 설계 키트입니다. 이 완전한 SiC 솔루션은 초저 RDS(ON)과 최소화된 기생 인덕턴스를 특징으로 하는 여러 1200V, 10 mohm 하프 브리지 SiC 모듈 NXH010P120MNF1을 갖춘 PFC 및 DC-DC 스테이지로 구성되어 있으며, 전도 및 스위칭 손실을 크게 줄여줍니다. Zynq®-7000 SoC FPGA 및 ARM® 기반 프로세서를 갖춘 강력한 Universal Controller Board (UCB)를 활용하여, 이 시스템은 200V에서 1000V에 이르는 출력 전압에서 최대 25 kW의 전력을 제공하며, 400V 또는 800V 전기차 배터리를 충전하는 데 있어 96%의 효율을 달성합니다. 

SEC-25KW-SIC-PIM-GEVK는 또한 갈바닉 절연이 있는 고전류 드라이버 NCD57000과 보조 전원 솔루션 SECO-HVDCDC1362-40W-GEVB를 특징으로 하며, 저전압 부품에 안정적인 전압 레일을 제공하고, 돌입 전류 제어, 과전압 보호 통합 및 여러 통신 인터페이스를 제공합니다.

SEC-25KW-SIC-PIM-GEVK는 400V/800V 배터리의 양방향 전력 변환을 위한 3상 PFC 및 DAB를 지원하며, EN55011 Class A 및 IEC 61851 표준을 준수합니다. 이 제품은 절연형 고전류, 고효율 게이트 드라이버인 NCD57000과 함께 하프 브리지, 1200V, 10mΩ SiC M1 MOSFET이 포함된 NXH010P120MNF1 SiC 모듈을 통합하고 있습니다.

결론

DC 고속 충전 기술은 EV 충전 분야에서 중요한 돌파구를 나타내며, 전기차를 더 편리하고 효율적으로 충전할 수 있는 방법을 제공합니다. 기술의 지속적인 발전과 응용으로 DC 고속 충전은 현대 전기차를 충전하는 주요 방법 중 하나로 자리 잡았습니다. 이 기사에서는 25 kW DC 고속 충전기의 설계 기술과 onsemi에서 소개한 관련 솔루션에 대해 논의하며, DC 고속 충전 제품 개발을 가속화하고 시장에서 경쟁력을 확보하는 것을 목표로 합니다.