반도체 전문 온라인 매거진 - 올포칩

많은 기업과 대중들의 인식이 변화하고, 이산화탄소 배출에 대한 기준이 강화되면서, 전세계적으로 전기차 개발이 가속화되고 있다. 최근 추세를 기반으로 예측된 2024년까지의 온보드 충전(OBC) 분야 예상 연평균 성장률(CAGR)은 37.6% 이상으로, 괄목할 만한 성장이 기대되고 있다. 이에 따라, OBC 모듈을 설계하는 글로벌 자동차 기업에게 시스템 효율을 개선하거나 신뢰성이 높은 새로운 토폴로지를 정의하는 것은 시급한 과제가 됐다.

<PFC 토폴로지> 

단상 입력 AC 시스템을 위한 역률 보정(PFC) 토폴로지는 전통적인 단일 채널 부스트 컨버터이다. 이 솔루션에는 입력 AC 정류를 위한 다이오드 풀 브리지와 부하의 역률을 높이기 위한 PFC 컨트롤러가 포함돼 효율성을 개선하며, AC 입력 전원에 발생할 수 있는 고조파를 저감한다. PFC 부스트 토폴로지가 인기 있는 이유는 설계 용이성, 낮은 구현 비용 및 안정적인 성능 등의 장점에 기인한다. 그러나, 이는 다이오드 브리지 정류기의 전도 손실이 불가피하고, 차량이 AC 전력단에 전원을 다시 공급케 하는 양방향 작동을 지원하지 않는다. 다수의 부스트 회로를 인터리빙하는 기존의 멀티-채널 인터리브드 부스트 컨버터를 사용하면 일부 시스템 성능 매개 변수를 개선할 수 있지만, 입력단의 다이오드 브리지는 여전히 필요하다.

<PFC 내의 전력손실 분포도> 

PFC 내의 전력손실 분포도 차트는 입력 다이오드 브리지의 전력 손실이 PFC 내의 다른 구성요소의 손실보다 큰 것을 알수 있다.

<브리지리스 토템 폴 PFC> 

OBC 시스템의 효율성을 개선하기 위해 기존의 PFC, 세미-브리지리스 PFC, 양방향 브리지리스 PFC, 토템 폴 브리지리스 PFC를 비롯해 서로 다른 종류의 PFC 토폴로지들이 연구돼 왔다. 간소화된 구성요소, 전도 손실의 감소, 고효율 등의 특성은 토템 폴 PFC의 인기가 특히 많은 이유다. 

기존 실리콘(Si) MOSFET은 바디 다이오드의 역회복 특성이 좋지 않아 토템폴 PFC 토폴로지에서 연속전도모드(CCM)로 작동하기 어렵다. 실리콘 카바이드(SiC) MOSFET은 Si MOSFET에 비해 우수한 스위칭 성능과 작은 역회복 시간, 낮은 RDS(On) 및 높은 신뢰성을 제공하는 등 완전히 새로운 기술을 사용한다. 또한 소형의 칩 크기를 통해 디바이스에 낮은 캐패시턴스와 낮은 게이트 총전하량(QG)을 보장한다. 

OBC 설계를 위한 또 다른 어려움은 차체 내 해당 모듈을 위한 공간이 제한된 점이다. 전력 요구량과 배터리 전압은 점점 증가하고 있지만, 필요한 출력을 공급하면서 물리적인 크기의 요구 사항까지 충족하는 OBC를 설계하는 것은 점점 더 어려워지고 있다. 지금까지 엔지니어는 OBC에 사용되는 기술과 전력, 크기 및 효율성 사이의 상충되는 부분을 용인해야 했지만, SiC는 이러한 설계 상의 고충을 해결한다. 스위칭 주파수가 높은 SiC를 사용하면 엔지니어는 보다 작은 크기의 인덕터를 사용해 이전과 동일한 인덕터 리플 전류 요구량을 달성할 수 있다. 

더 높은 주파수에서 스위칭 할 수 있는 기능, 증가된 전력 밀도, 더 높은 효율성, EMI 성능 개선 및 시스템 크기 감소 등은 OBC 시스템에서 SiC MOSFET 사용시 누릴 수 있는 이점이다. 오늘날에는 SiC를 널리 사용할 수 있으므로 엔지니어는 설계에 토템 폴 PFC를 포함해 성능을 향상시킬 수 있다. 

새로 출시된 OBC 평가 보드용 6.6kW 토템 폴 PFC는 다중 채널 인터리브드 브리지리스 토템 폴 PFC 토폴로지에 대한 레퍼런스 디자인을 제공한다. 이 디자인은 각각의 고속 스위칭 부에 절연형 고전류/고효율 IGBT 드라이버(NCV57000DWR2G)와 2개의 고성능 SiC MOSFET(NVHL060N090SC1)로 구성된다. 또한, 낮은 스위칭 부에는 모노리틱 하이/로우 사이드용 게이트 드라이버 IC(FAN7191_F085)에 의해 제어되는 2개의 650V N-채널 파워 MOSFET SPEPT III(NVHL025N65S3) 디바이스가 적용됐다.

<6.6kW 인터리브드 토템 폴 PFC 평가 보드> 

토템 폴 토폴로지에 구성된 이러한 고성능 SiC MOSFET으로 시스템은 통상 97%의 효율성을 달성한다. 해당 설계는 다른 DC 소스 없이도 PFC 보드나 제어 보드의 모든 회로에 공급할 수 있는 비절연형 보조 전원, 하드웨어 OCP(Over-Current Protection) 및 하드웨어 OVP(Over-Voltage Protection)를 포함한다. 유연한 컨트롤 인터페이스는 다양한 제어 보드의 용도에 알맞게 사용 가능하다.

<6.6kW 인터리브드 토템 폴 PFC 평가 보드 블록 다이어그램>