초고속 전기차 충전기의 개발 동향 및 솔루션

급성장하는 전기차(EV) 시장은 EV 충전기를 포함한 다양한 산업의 발전을 촉진했습니다. EV에 대한 증가하는 수요를 충족하고 저탄소 목표를 달성하기 위해서는 효율적인 EV 충전 시스템 설계를 통해 더욱 견고한 충전 인프라를 구축하는 것이 필수적입니다. 이 글에서는 초고속 EV 충전기의 개발 동향과 onsemi에서 제공하는 관련 솔루션을 소개합니다.

충전 속도는 소비자가 EV를 구매할 때 결정에 영향을 미치는 주요 요인 중 하나입니다. 충전소 내에서 AC를 DC로 변환함으로써 DC EV 충전기는 충전 속도를 크게 가속화하며 이제 주류로 자리 잡았습니다. 정부와 자동차 제조업체들의 강력한 지원에 힘입어 급성장하는 EV 시장은 강력한 DC 충전 인프라를 필요로 합니다.

주류 EV 충전 솔루션은 더 높은 충전 전압을 채택합니다. 부드러운 전압 제한이 적용된 AC 충전과 비교하여 DC 고속 충전은 최대 1500 VDC에서 작동할 수 있어 더 높은 충전 전력, 더 작은 전류, 감소된 열 생성 및 낮은 손실을 가능하게 합니다. 또한 이를 통해 400V 및 800V EV 배터리를 수용하기 위해 최대 전압을 증가시키고 초고속 충전을 위한 350kW 이상의 출력 증가를 지원합니다. 높은 효율성과 더 높은 전압 및 온도를 처리할 수 있는 능력을 갖춘 실리콘 카바이드(SiC) 기술은 이러한 목표를 달성하기 위한 이상적인 선택입니다.

SiC 기술은 낮은 R_DS(ON)을 제공하여 DC EV 충전기의 전력 변환 효율을 97% 이상으로 개선하고, 실리콘 기반 솔루션과 비교할 때 운영 비용을 감소시킴으로써 DC EV 충전기를 혁신적으로 변화시키고 있습니다. 이로 인해 더 작은 전력 변환기 부피와 설치 면적, 낮은 냉각 요구량, 그리고 조용한 시스템(EMI 영향을 감소시킴)이 가능해집니다. SiC 단일 소자는 주로 최대 50 kW 충전 장치에 사용되며, 모듈 소자는 비용적 장점 때문에 50 kW 이상의 장치(때로는 25 kW부터 시작하는 경우에도 선호됨)에 주로 사용됩니다. 

초고속 EV 충전기는 온보드 충전기(OBC)를 우회하여 EV 배터리에 직접 전력을 전달하며, 출력 수준은 350 kW에서 메가와트까지 다양합니다. 현재 정격은 200 A에서 500 A 사이로, 충전 시간을 크게 단축시킵니다. 이러한 시스템은 전력 변환 구성 요소인 Power Integrated Modules(PIM)을 사용하며, PIM은 여러 전력 장치를 단일 패키지로 통합하여 조립을 간소화하고 열 관리 효율을 최적화합니다. 추가적으로, 와이드 밴드갭 SiC 장치는 효율성을 향상시키고 더 높은 온도와 전압에서의 작동을 가능하게 합니다.

예를 들어, onsemi의 DC EV 충전기 솔루션은 SiC 단일형 MOSFET, IGBT, 전력 모듈, 절연 게이트 드라이버와 같은 주요 부품을 포함한 전력 변환 및 전력 관리 기술과 기타 관련 제품을 활용합니다.

onsemi는 고객 제품 개발을 가속화하기 위해 다양한 평가 보드와 레퍼런스 디자인을 제공합니다. 예를 들어, EVBUM2878G-EVB는 1200V M3S 4-PACK F2 EliteSiC MOSFET 모듈 평가 보드입니다. 이 보드는 NXH011F120M3F2PTHG 및 NXH007F120M3F2PTHG와 같은 풀 브리지 모듈에 대한 이중 펄스 스위칭 테스트 및 오픈 루프 전력 테스트를 가능하게 합니다.

또 다른 예는 EVBUM2880G-EVB로, 1200V M3S 2-PACK F1 EliteSiC MOSFET 모듈 평가 보드입니다. 이 보드는 NXH008P120M3F1PTG, NXH010P120M3F1PTG, NXH015P120M3F1PTG, NXH030P120M3F1PTG를 포함한 하프 브리지 모듈의 더블 펄스 스위칭 테스트 및 개방 루프 전력 테스트에 사용됩니다.

EVBUM2883G-EVB는 1200V M3S T-NPC F2 EliteSiC 모듈 평가 보드입니다. 이 보드는 TNPC(중성점 클램핑, T형) 모듈, 예를 들어 NXH008T120M3F2PTHG 및 NXH011T120M3F2PTHG에 대한 더블 펄스 스위칭 테스트와 개방 루프 전력 테스트에 사용됩니다. 이러한 모든 평가 보드는 외부 컨트롤러에 연결하여 PWM 입력을 제공하고 오류 신호를 처리할 수 있습니다.

onsemi는 또한 SiC Power Integrated Modules를 기반으로 한 25 kW 빠른 DC EV 충전기 레퍼런스 디자인 키트인 SEC-25KW-SIC-PIM-GEVK 평가 키트를 제공합니다. 이 올-SiC 솔루션은 PFC 및 DC-DC 스테이지를 포함하며 여러 개의 1200V, 10 mΩ 하프 브리지 SiC 모듈을 사용합니다. 400VAC (EU) / 480VAC (US)의 입력 전압, 200VDC ~ 1000VDC의 출력 전압, 최대 출력 전력 25 kW, 96%를 초과하는 효율을 지원하며, 3상 PFC(Power Factor Correction) 및 DAB(Dual Active Bridge)를 특징으로 하여 400V/800V 배터리를 위한 양방향 전력 변환을 가능하게 합니다.

onsemi는 DC EV 충전기 시장의 다양한 사용 사례를 포괄하며 주거 및 상업용 애플리케이션에 맞춘 다양한 전력 수준과 충전 시간을 제공하는 DC EV 충전 솔루션을 제공합니다. 22 kW 이하의 DC Wallbox 시스템부터 350 kW 이상의 초고속 EV 충전 시스템까지, onsemi의 EliteSiC MOSFET 및 Field Stop 7 IGBT는 더 높은 효율성과 전력 밀도를 보장하며, 절연 게이트 드라이버는 안전성과 신뢰성을 향상시킵니다.

onsemi의 초고속 전기차 충전기(≥ 350 kW)를 위한 전력 모듈 솔루션은 최대 500 A의 고전류 충전을 지원하며, 350 kW에서 1 MW에 이르는 전력 수준을 제공합니다. onsemi의 EliteSiC M3S T-NPC 및 4-pack F2 전원 통합 모듈(PIMs) 전체 제품군은 우수한 열 성능, 높은 전력 밀도, 높은 효율성 및 향상된 신뢰성과 같은 중요한 이점을 제공합니다. 이 모듈은 전력 수준 350 kW를 초과할 수 있도록 적층할 수 있는 50 kW 모듈화 블록으로 구성되어 있습니다.

NXH008T120M3F2PTHG는 8 mΩ / 1200 V M3S SiC MOSFET T-NPC가 특징인 F2 T형 NPC PIM입니다. 사전 적용된 열 인터페이스 물질(TIM)이 있는 옵션과 없는 옵션을 제공하며, 15V - 18V 게이트 드라이브를 지원하고 HPS DBC 기판을 사용합니다. 납땜 가능한 핀과 프레스 핏 핀 중에서 선택할 수 있으며, M3S 기술을 활용하여 최적화된 스위칭 성능을 제공하며, 부정적인 게이트 전압으로 구동하기 쉽습니다.

NXH007F120M3F2PTHG는 7mΩ / 1200V M3S SiC MOSFET를 특징으로 하는 F2 4팩 풀 브리지 PIM입니다. TIM이 미리 적용된 옵션과 미적용된 옵션을 제공하며, 15V - 18V 게이트 드라이브를 지원하고 HPS DBC 기판을 사용하며 프레스 핏 핀을 특징으로 합니다. M3S 기술을 적용하여 최적화된 스위칭 성능을 제공하며, 음의 게이트 전압으로 구동하기 쉬운 설계를 갖추고 있습니다.

상업용 EV 충전기 전력 모듈 및 개별 솔루션(25 - 150 kW)을 위해 onsemi는 양방향 기능을 갖춘 25 kW DC EV 충전기 평가 키트를 개발했습니다. 이 키트는 단일 캐비닛에 스택하여 400 V 및 800 V 표준 EV 배터리 전압을 모두 지원할 수 있습니다. 이 시스템은 3상 하프 브리지 스테이지와 두 번째 DAB 스테이지로 구성된 일반적인 2레벨 EV 충전 회로를 채택하였습니다. 시스템은 간단한 구조, 높은 작동 효율성, 그리고 제어 용이성을 특징으로 합니다. 페이즈 시프트 변조를 사용하여 높은 부하에서 ZVS(제로 전압 스위칭)를 달성하며, 200 V에서 1000 V까지 넓은 충전 전압 범위에서 효율성을 극대화합니다.

onsemi의 풀 SiC 하프 브리지 PIM은 DC EV 충전기 설계에 이상적으로 적합하며, 뛰어난 열 저항성과 기생 인덕턴스를 갖춘 사양과 설치가 용이한 패키지를 제공하여 더 높은 시스템 작동 효율성과 전력 밀도를 구현합니다.

onsemi의 EliteSiC PIMs인 NXH008P120M3F1PTG, NXH010P120M3F1PTG 및 NXH015P120M3F1PTG는 F1 패키지에서 SiC M3S가 포함된 1200V 듀얼 팩 하프 브리지를 특징으로 합니다. 이 제품들은 뛰어난 FOM [ = R_DS(ON) * E_OSS ]을 제공하며, M3S 기술로 최적화된 스위칭 성능과 15V에서 18V의 게이트 드라이브를 지원합니다. 음성 게이트 전압으로 구동이 쉬우며, 사전 적용된 TIM 유무 선택 옵션을 제공하고, 프레스 핏 핀을 특징으로 합니다.

또한, onsemi는 M3S 기술을 사용하여 고온 작동에 최적화된 EliteSiC 단일 1200 V SiC MOSFET를 제공합니다. 이 제품은 고주파 작동을 위한 향상된 기생 커패시턴스를 특징으로 하며, R_DS(ON) 값은 V_GS= 18 V에서 13에서 65 mΩ까지 범위에 있고, 초저 게이트 전하(Q_G(TOT) 는 55에서 254 nC까지 범위), 낮은 커패시턴스를 가진 고속 스위칭(C_OSS 는 57에서 262 pF까지 범위)을 특징으로 하며, Kelvin Source를 갖춘 4핀 패키지로 제공됩니다.

onsemi는 또한 BPAK 가치 제안을 포함한 Top Cool SMD 패키지를 제공하며, 우수한 열 성능, 높은 전력 밀도, 뛰어난 열 저항성을 제공합니다. 상단에서 열 방출이 이루어져 PCB 온도를 낮추고, PCB 활용도를 개선하며, MOSFET 아래의 열 비아를 제거하여 비용을 절감하고, PCB 신뢰성을 향상시키며, 밀폐된 알루미늄 하우징 디자인을 통해 PCB에 먼지가 들어가는 것을 방지합니다.

onsemi는 또한 새로운 고도로 최적화되고 혁신적인 1200 V FS7 IGBT를 선보였습니다. 이 제품은 스위칭 및 전도 손실을 크게 줄임과 동시에 우수한 스위칭 성능을 보장하도록 설계되었습니다. 이러한 장치는 낮은 스위칭 손실을 특징으로 하여 더 높은 스위칭 주파수를 가능하게 합니다. 이는 자기 부품의 크기를 줄여 전력 밀도를 높이고 시스템 비용을 낮춥니다. FS7 IGBT는 효율적이고 비용 효율적인 전력 솔루션이 필요한 응용 분야에 적합한 선택입니다.

예를 들어, FGY4L160T120SWD는 1200V Field Stop VII (FS7) 개별 IGBT로, 최대 접합 온도 TJ = 175°C, TO-247-plus-4L 패키지에 공동 패키징된 Gen7 다이오드, 병렬 동작을 용이하게 하는 양의 온도 계수, 높은 전류 처리 능력, 부드럽고 최적화된 스위칭, 낮은 스위칭 손실, 그리고 RoHS 준수 기능을 갖추고 있습니다.

올바른 게이트 드라이버를 선택하는 것은 고전력 또는 고전압 애플리케이션에서 성능을 최적화하는 데 매우 중요합니다. 주요 고려사항은 절연 능력, 게이트 드라이브 전압 범위, 절연 커패시턴스 및 전력 손실, 공통 모드 과도 면역(CMTI), 그리고 전류 구동 능력입니다. 이러한 요소를 고려하여 SiC/Si MOSFET 또는 IGBT의 성능, 효율성 및 안전성을 향상시키는 게이트 드라이버를 선택할 수 있습니다.

다음은 onsemi의 주요 게이트 드라이버 중 일부입니다. NCP51563은 4.5 A / 9 A 소스/싱크 피크 전류, 36 ns의 일반적인 전달 지연 시간 및 5 ns 최대 지연 매칭을 지원하는 듀얼 채널 절연 게이트 드라이버로, ANB를 통한 단일 또는 듀얼 입력 모드, 5 kV 갈바닉 절연, CMTI ≥ 200 kV/µs, 8 mm 크리프 거리의 SOIC-16WB 패키징을 제공합니다.

NCD57100은 7 A 소스/싱크 피크 전류, 활성 밀러 클램프, UVLO 및 DESAT 보호, 음의 VEE를 포함한 넓은 바이어스 전압 범위, 3.3 V에서 5 V 입력 공급 전압, 5 kV 갈바닉 절연, CMTI ≥ 150 kV/µs, 및 8 mm 크리페이지 거리를 가진 SOIC-16WB 패키징을 지원하는 단일 채널 격리 게이트 드라이버입니다.

NCD57090은 6.5 A 소스/싱크 피크 전류를 지원하는 단일 채널 절연 게이트 드라이버로, 분리된 출력, 능동 밀러 클램프 또는 네거티브 바이어스 버전, 3.3 V, 5 V, 및 15 V 로직 입력, 5 kV 갈바닉 절연, CMTI ≥ 100 kV/µs, 8 mm 크리프 거리의 SOIC-8WB 패키징을 제공합니다.

컨버터는 와이드 밴드갭 구성 요소를 사용하는 브리지로 구성되며, 저측 MOSFET에서 자기 턴온의 위험에 직면할 수 있습니다. 주요 원인으로는 밀러 커패시턴스(Miller capacitance), 게이트 저항(gate resistance), 높은 dv/dt가 있습니다. 하나의 해결책은 음의 게이트 전압을 가진 게이트 드라이버를 사용하는 것입니다. onsemi의 게이트 드라이버는 NCP51752와 같은 내부 음전압 바이어스를 통합한 단일 채널 절연 게이트 드라이버를 제공합니다. 이 드라이버는 4.5 A 피크 소스 및 9 A 피크 싱크 전류, 통합 음전압 바이어스 제어 (-2/-3/-4/-5 V), 36 ns 전달 지연 및 최대 5 ns의 지연 매칭, 3 V ~ 20 V 입력 공급 전압, 200 V/ns dv/dt 내성, 3.75 kV_RMS 1분 동안 절연 (UL1577 요구 사항에 따라), 그리고 MOSFET을 위한 6 V 및 8 V, SiC를 위한 12 V 및 17 V의 UVLO 선택사항을 지원합니다.

onsemi는 또한 NCS2007x 시리즈 연산 증폭기와 같은 다양한 신호 조정 및 제어 제품을 제공합니다. 이 연산 증폭기는 레일-투-레일 출력 동작, 3 MHz 대역폭을 제공하며, 싱글, 듀얼, 쿼드 구성으로 제공됩니다. 이 증폭기는 소형 패키지로 제공되며 2.7 V에서 36 V까지의 넓은 전원 전압 범위를 지원하므로 다양한 애플리케이션에 이상적입니다. 높은 정확도의 전류 모니터링을 위해, NCS21x는 저전압 전원 및 제로 드리프트 아키텍처로 인한 낮은 오프셋을 통해 션트 저항 전반에 걸친 전류 감지 작업을 가능하게 하며, 최대 전압 강하가 10 mV 전체 범위로 낮은 경우에도 적합합니다.

25 kW DC EV 충전기의 보조 전원 설계를 위해, NCV890100은 저전압 구성 요소에 전원을 공급하도록 설계된 고정 주파수의 단일 칩 벅 스위칭 레귤레이터입니다. 이 제품은 저소음과 컴팩트한 폼 팩터가 요구되는 시스템에 이상적입니다. NCV890100은 4.5 V에서 18 V의 입력 전압 범위를 3.3 V까지 낮은 출력 전압으로 변환합니다. AM 밴드 이상의 일정한 스위칭 주파수로 작동하여 비싼 필터와 EMI 대책이 필요하지 않습니다. NCP3064는 최소한의 외부 구성 요소로 승압 및 강하 응용 분야를 위해 설계된 또 다른 DC-DC 레귤레이터입니다. 두 장치는 통합된 과열 종료 보호(TSD) 기능을 갖추고 있습니다.

초고속 EV 충전기 개발은 EV 시장의 증가하는 수요를 충족하기 위해 더 높은 출력, 더 높은 효율성, 그리고 더 큰 지능을 목표로 진보하고 있습니다. 반도체 기술, 전력 모듈 설계, 열 관리에서의 지속적인 돌파구를 통해 미래 충전기는 더 짧은 충전 시간과 더 나은 에너지 관리를 실현하며 사용자 경험과 시스템 안정성을 향상시킬 것입니다. 정책 지원과 산업 협력이 추진력이 되어 초고속 충전 기술은 채택이 가속화되며 전기 운송 분야에서 진정한 녹색 변혁에 기여할 것입니다. 이 기사에서 언급된 onsemi 고속 충전 솔루션은 관련 산업 애플리케이션에 진입하기 위한 최고의 선택 중 하나가 될 것입니다.