반도체 전문 온라인 매거진 - 올포칩

글/ 제프 스무트(Jeff Smoot), 마우저 일렉트로닉스(Mouser Electronics)

(출처: saadulhaq / stock.adobe.com; generated with AI)

전기차(EV)는 가솔린 차량만큼 오랜 역사를 가지고 있지만, 본격적으로 대중화된 것은 비교적 최근의 일이다. 전기차 기술의 중대한 발전과 정부 차원의 강력한 지원에 힘입어 전기차에 대한 수요는 급격히 증가했다. EU의 2035년 내연기관 차량 금지 정책(참고자료1)과 2025년까지 60킬로미터마다 고속 전기차 충전소 설치를 의무화한 규정(참고자료2)은 이러한 수요 급증을 잘 보여준다. 전기차가 주요 교통수단으로 자리 잡게 됨에 따라, 배터리 주행거리와 더 빠른 충전 속도는 글로벌 경제가 원활하게 기능하는 데 있어 핵심 요소가 될 것이다. 이러한 전기차 충전 시스템을 개선하기 위해서는 다양한 기술 분야에서의 발전이 필요하며, 그 중에서도 특히 열 관리 기술의 진보가 중요하다.

EV 충전에서의 AC와 DC

더 빠른 전기차(EV) 충전에 대한 수요가 증가함에 따라 EV 충전기 설계 접근 방식에도 크고 작은 다양한 변화가 나타나고 있다. 그중 하나의 두드러진 변화는 DC 충전기로의 전환이다. 모든 배터리 시스템은 DC 전력을 사용하지만, 이들 시스템의 핵심적인 차이는 AC를 DC로 변환하는 전력 정류가 이루어지는 위치에 있다. 가정용 환경에서 일반적으로 사용되는 기존의 AC 충전기는 주로 차량과 통신하고, 교류 전력을 필터링하며, 차량으로 전달되는 AC 전력의 흐름을 제어하는 연결 장치 역할을 한다. 이후 차량 내부에 탑재된 온보드 DC 충전기가 전력을 정류해 배터리를 충전한다. 반면 DC 충전기는 차량으로 고전압 DC 전력을 전달하기 전에, 정류 과정을 차량 외부에서 수행한다. DC 충전기의 가장 큰 장점은 전력 조절 하드웨어를 전기차 내부가 아닌 외부 구조물로 이전함으로써, 차량 설계에서의 무게와 크기 제약을 상당 부분 제거할 수 있다는 점이다.

무게와 크기 제약을 제거함으로써 DC 충전기는 전류 처리량과 동작 전압을 모두 향상시키기 위한 추가적인 구성 요소를 통합할 수 있다. 이러한 충전기는 전력 정류를 위해 첨단 반도체 소자를 사용하며, 필터와 전력 저항도 함께 적용되는데, 이들 모두는 상당한 열을 발생시킨다. 필터와 저항 역시 열 발생에 기여하지만, 전기차 충전 시스템에서 주요한 열원은 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)로, 이 반도체 소자는 지난 수십 년 동안 점점 더 널리 사용되어 왔다. 이 강력한 소자는 충전 환경 전반에서 수많은 기회를 만들어냈지만, 이를 효과적으로 냉각하는 것은 여전히 중요한 과제로 남아 있다.

IGBT는 전계 효과 트랜지스터(FET)와 바이폴라 접합 트랜지스터(BJT)의 특성을 결합한 소자다. 고전압 처리 능력, 낮은 온저항, 빠른 스위칭 속도, 뛰어난 열적 내구성 덕분에 전기차 충전기와 같은 고전력 애플리케이션에 매우 적합하다. 이러한 충전 회로에서 IGBT는 정류기 또는 인버터로 동작하며, 빈번하게 온·오프를 반복하면서 상당한 열을 발생시킨다.

현재 열 관리 측면에서의 가장 큰 과제는 IGBT의 열 방출량이 크게 증가하고 있다는 점이다. IGBT의 열 소산은 30년 전 1.2kW 수준에서 오늘날에는 12.5kW로 10배 이상 증가했으며, 향후에도 추가적인 증가가 예상된다. 그림 1은 이러한 증가 추세를 단위 면적당 전력 관점에서 보여준다. 이에 비해 현재 최고 수준의 CPU는 약 0.18kW, 즉 7kW/cm² 수준에 그쳐, 두 기술 간의 열 밀도 차이가 매우 크다는 점을 잘 드러낸다.

그림 1: 지난 30년 동안 IGBT의 전력 밀도는 크게 증가했다. (출처: Same Sky)

IGBT의 냉각에는 두 가지 요인이 도움이 된다. 첫째, IGBT의 표면적은 CPU의 약 두 배에 달하며, 둘째, 최신 CPU가 약 105°C에서 동작하는 데 비해 IGBT는 최대 170°C까지 더 높은 온도에서 동작할 수 있다는 점이다.

가장 단순하면서도 신뢰성이 높은 열 관리 솔루션은 히트싱크와 강제 공랭을 결합하는 방식이다(그림 2). IGBT와 같은 반도체 소자 내부의 열저항은 일반적으로 매우 낮지만, 소자와 주변 공기 사이의 열저항은 훨씬 크다. 볼 그리드 어레이(BGA) 디바이스에 히트싱크를 추가하면 열 방출에 활용 가능한 표면적이 크게 증가해 열저항을 낮출 수 있다. 여기에 히트싱크 위로 공기를 흐르게 하면 냉각 효과는 더욱 향상된다.

시스템에서 가장 큰 비중을 차지하는 소자–공기 인터페이스의 열저항을 줄이는 것이 핵심이다. 수동형 히트싱크는 올바르게 설치될 경우 고장 위험이 없으며, 팬은 오랜 기간 검증된 신뢰성 높은 기술로 추가적인 냉각 효율을 제공한다. Same Sky는 전기차 충전 애플리케이션을 위해 최대 950mm × 350mm × 75mm 크기의 히트싱크를 설계했다. 이러한 히트싱크는 요구 조건이 낮은 경우에는 수동 방식으로, 더 높은 냉각 성능이 필요한 경우에는 강제 공랭을 적용해 사용할 수 있다. Same Sky의 AC 팬과 DC 팬 전체 제품군을 통해 다양한 냉각 솔루션을 구현할 수 있다.

그림 2: 히트싱크와 팬을 결합한 방식은 검증된 냉각 솔루션이다. (출처: Same Sky)

IGBT와 같이 열 밀도가 높은 열원을 냉각하기 위한 액체 냉각 옵션도 존재한다. 수랭식 시스템은 가장 낮은 열저항을 구현할 수 있어 매력적인 대안으로 여겨진다. 그러나 비용과 시스템 복잡도가 높고, 전체 시스템에서 발생하는 열을 제거하기 위해 여전히 히트싱크와 팬에 의존해야 한다는 한계가 있다. 이러한 이유로 IGBT를 직접 냉각하는 방식으로는 히트싱크와 팬을 사용하는 공랭 솔루션이 여전히 가장 선호되는 접근 방식이다. 현재도 IGBT를 위한 공랭 기술을 더욱 향상시키기 위한 연구가 지속적으로 진행되고 있다.

외부 및 환경적 요인

전기차 충전소는 주로 야외에 설치되며, 다양한 환경 조건에 노출된다. 따라서 최적의 열 조건을 유지하기 위해서는 비와 극한의 온도와 같은 외부 요소로부터 보호하면서도 적절한 환기가 가능한 방수형 인클로저 설계가 필수적이다. 공기 흐름 경로와 통풍구는 물 유입을 방지하는 동시에 충분한 공기 흐름을 확보할 수 있도록 세심하게 설계돼야 한다.

고려해야 할 주요 외부 요인 중 하나는 태양 복사열이다. 태양열은 충전기 인클로저 내부의 주변 온도를 크게 상승시킬 수 있다. 이는 중요한 문제로 작용할 수 있지만, 가장 효과적인 해결책은 비교적 단순하다. 충전기 유닛 위에 적절한 차양을 설치하고, 차양과 충전기 사이에 충분한 공기 흐름 공간을 확보하면 충전기 주변의 주변 온도를 크게 낮출 수 있다.

맺음말

최근 몇 년간 전기차(EV) 보급은 전 세계적으로 급격히 증가했으며, 다양한 기술 영역에서 수요는 계속해서 빠르게 확대되고 있다. 도로 위에서 전기차가 점점 더 보편화됨에 따라, 충전 인프라 역시 이에 발맞춰 빠르게 확산될 것이다. 이러한 흐름 속에서 효율적이고 안정적으로 동작하는 충전기는 견고한 충전 인프라를 구축하는 데 필수적인 요소다. 아울러 비용 효율성은 개인과 기업 모두의 도입 속도에 중요한 영향을 미치는 핵심 요인으로 작용할 것이다.

전기차와 충전기 수가 증가할 것으로 예상되는 만큼, 이를 뒷받침하는 기반 기술 역시 지속적으로 진화하고 개선될 것이다. 여기에는 충전 전력과 용량의 증가 가능성, 소프트웨어 및 하드웨어 표준의 변화, 그리고 현재는 예측하기 어려운 혁신 기술까지 포함된다. 이러한 변화하는 요구 사항에 열 관리 시스템이 유연하게 대응할 수 있도록 설계하는 것은 향후 전기차 충전 인프라의 성공을 좌우하는 중요한 과제가 될 것이다.

전기차 충전기는 다른 고전력 전자 장치와 유사한 열 관리 과제에 직면해 있다. 그러나 이러한 충전기에 사용되는 IGBT의 높은 전력 밀도와 지속적으로 증가하는 성능 요구가 결합되면서, 보다 고유하고 까다로운 과제가 나타나고 있다. 충전 속도와 배터리 용량이 계속해서 향상됨에 따라, 효과적이면서도 안전한 충전기 설계의 중요성은 더욱 커질 것이며, 이는 열 관리 엔지니어와 설계자에게 더 높은 수준의 요구를 제시하게 된다. 이러한 요구에 대응하기 위해 Same Sky는 진화하는 필요를 충족할 수 있도록 포괄적인 열 관리 부품 포트폴리오와 업계를 선도하는 열 설계 서비스를 제공하고 있다.

이 내용은 제프 스무트(Jeff Smoot)가 작성한 ‘차세대 전기차 충전을 위한 열 관리(Thermal Management for Next-Generation EV Charging)’ 블로그를 허가 받아 재구성한 것이다.

참고문헌

1. https://www.europarl.europa.eu/topics/en/article/20221019STO44572/eu-ban-on-sale-of-new-petrol-and-diesel-cars-from-2035-explained

2. https://www.weforum.org/agenda/2023/07/eus-law-mandates-fast-charging-stations-every-60-kilometers-along-highways-2025/

저자 소개

제프 스무트(Jeff Smoot), Same Sky 엔지니어링 부문 부사장

제프 스무트는 2004년 Same Sky에 합류한 이후, 제품 개발과 지원, 그리고 시장 출시 강화를 핵심으로 회사의 품질(Quality) 및 엔지니어링 부문을 재정비하고 활성화해 왔다. 고객의 성공을 최우선 가치로 삼아, 설계 과정 전반에서 엔지니어들에게 현장 및 온라인 기반의 설계·기술 지원을 제공하기 위한 애플리케이션 엔지니어링 팀을 주도적으로 구축하기도 했다. 이러한 활동을 통해 Same Sky의 기술 역량과 고객 지원 체계를 한층 강화하는 데 중요한 역할을 수행해 왔다.