48V/12V 이중 배터리 자동차 시스템용 양방향 DC/DC 컨트롤러

연비 규제의 강화와 함께 자율 주행 차량 및 자동차 연결성의 발전으로 인해 기존 12V 자동차 전기 시스템은 사용 가능한 한도에 도달했습니다. 여기에 자동차 전기 시스템에 연결되는 응용 제품이 끊임없이 늘어남에 따른 전력 요구 사항의 증가와 관련된 새로운 과제도 생기고 있습니다. 결과적으로, 기존의 3kW, 12V 자동차 전력 시스템을 보완해야 하는 상황입니다.

기존 12V 시스템을 보조 48V 버스에 연결하는 새로운 LV148 자동차 표준이 제안되고 있습니다. 48V 레일에는 다음과 같은 품목이 포함됩니다.

• 벨트 시동 발전기 또는 통합 시동 발전기(ISG)
• 48V 리튬 이온 배터리
• 결합된 12V 및 48V 배터리에서 최대 10kW의 에너지를 제공할 수 있는 양방향 DC/DC 컨버터

자동차 제조업체들이 점점 엄격해지고 있는 CO₂ 배출 목표를 충족하기 위해 노력 중인 상황에서, 이 기술은 하이브리드 전기 차량과 기존의 내연 차량을 대상으로 합니다.

일반적으로 12V 버스의 역할은 조명, 인포테인먼트, 오디오, 점화 등의 시스템에 지속적으로 전력을 제공하는 것입니다. 회생 브레이크 지원을 비롯한 가변 서스펜션, 전기 터보/슈퍼차저, 에어컨 압축기, 활성 섀시 등을 포함한 기타 시스템에는 48V 버스를 통해 전력이 공급됩니다. 곧 생산 모델 범위 전반에 도입될 것으로 예상되는 48V 버스를 사용하면, 더욱 부드러운 정지-시동 작동을 가능하게 하는 엔진 시동을 지원할 수 있을 것으로 보입니다.

고전압 버스 사용의 또 다른 이점은 케이블 단면이 크기 및 무게 면에서 모두 감소할 수 있다는 점입니다. 오늘날의 하이엔드 차량에는 4km 이상의 배선이 이용될 수 있으므로 이는 대단히 중요한 이점입니다.

차량은 점점 더 바퀴 달린 컴퓨터로 변모하고 있습니다. 이는 잠재적으로 수많은 플러그 앤 플레이 장치와의 접속이 필요할 수 있다는 의미입니다. 평균적으로 하루 중 9%를 차량 내의 컴퓨터를 사용하는 상황에서 텔레매틱과 멀티미디어의 도입은 추가적인 엔터테인먼트의 제공과 더불어 잠재적인 생산성 향상을 제공합니다.

앞에 언급한 바와 같이 자율 주행 차량은 레이더 및 LiDAR, 센서, 카메라, 컴퓨터를 포함한 부품에 더 많은 에너지가 필요한 원인이 되는 동인 중 하나입니다. 또한 연결성 향상을 위해서도 차량에 더 많은 에너지가 필요합니다. 차량은 인터넷뿐만 아니라 교통 신호, 다른 차량, 건물, 기타 구조물과도 연결될 수 있어야 합니다. 또한 오일 및 워터 펌프, 파워 스티어링, 구동렬 부품도 결국에는 기계적 구동 대신 전력으로 전환될 것입니다.

다수의 자동차 제조업체는 향후 수년에 걸쳐 자율 주행 차량에 필요할 기술적 빌딩 블록에 대한 요구가 급증할 것으로 예상하고 있습니다. 하지만 48V 배터리 시스템의 이점은 지금부터 누릴 수 있습니다. 예를 들어, 일부 자동차 제조업체는 48V 전기 시스템을 활용하는 내연 엔진의 경우 10% ~ 15%의 연비 증가 효과를 얻을 수 있다고 주장하고 있습니다. 이는 상응하는 CO₂ 배출량 감소로 이어집니다.

또한 엔지니어가 향후 이중 48V/12V 시스템을 활용할 차량에 전기 부스터 기술을 통합할 수 있게 됩니다. 이 기술은 엔진 부하와 독립적으로 작동할 수 있으므로 가속 성능을 향상시키는 데 도움이 됩니다. 예를 들어, 이미 고급 개발 단계에 다다른 컴프레서는 인터쿨러와 인덕션 시스템 사이에 배치될 것입니다. 이 컴프레서는 터보 회전에 48V를 사용하게 됩니다.

그러나 추가적인 48V 공급 네트워크 차량 구현으로 인해 제조업체는 전반적으로 수많은 설계 과제에 직면하게 될 것입니다. 구체적으로, 더 높아진 48V 버스 공급에서 작동할 수 있도록 부품을 재설계해야 하는 반도체 및 전자 제어 장치(ECU) 제조업체를 예로 들 수 있습니다. 또한, DC/DC 컨버터 제조업체는 더 높은 전력 전달을 감당할 수 있는 특수 IC를 개발해야 합니다. 이러한 요구 사항을 충족하기 위해, Linear Technology에서는 이 에너지 전달을 매우 효율적으로 처리할 수 있는 몇몇 DC/DC 컨버터를 제작했으며 이는 에너지 보존 효과를 제공하고 필요한 열 설계를 최소화합니다.

이중 12V/48V 자동차 시스템이 등장함에 따라 양방향 강압 및 승압 DC/DC 컨버터의 필요성도 분명해지고 있습니다. 이 컨버터를 사용하면 두 배터리를 모두 충전할 수 있으며 필요할 경우 동일한 부하로 전류를 공급할 수 있습니다. 여러 초기 12V/48V 이중 배터리 DC/DC 컨버터 설계는 전압의 승압 및 강압을 위해 별도의 전력 부품을 활용했습니다. Linear Technology에서 최근 출시한 LTC3871 양방향 DC/DC 컨트롤러는 그렇지 않습니다. 이 컨트롤러는 전압 강압과 전압 승압을 위해 동일한 외부 전력 부품을 사용합니다.

단일 양방향 IC 솔루션

LTC3871은 양방향 100V/30V 2상 동기식 부스터 또는 벅 컨트롤러입니다. 이는 양방향 DC/DC 제어와 12V 및 48V 시스템 네트워크 간의 배터리 충전을 제공할 수 있습니다. 이는 12V 버스에서 48V 버스로의 부스트 모드와 48V 버스에서 12V 버스로의 벅 모드에서 작동합니다. 인가된 제어 신호는 요구에 따라 두 모드 중 한 개를 구성합니다. 고전류 응용 제품의 경우(최대 250A), 최대 12개의 위상을 병렬화하고 다른 위상으로 클록할 수 있으므로 입력 및 출력 필터링 요구 사항을 최소화할 수 있습니다. 고급 전류 모드 아키텍처를 통해 병렬 위상 간의 탁월한 전류 정합이 제공됩니다. 12상 설계는 부스트 또는 벅 모드에서 최대 5kW를 공급할 수 있습니다.

LTC3871을 사용하면 추가 전력이 필요할 경우(예: 엔진 시동 시) 두 배터리에서 동시에 에너지를 공급할 수 있습니다. 이 장치를 사용하면 최대 97%의 효율성을 달성할 수 있습니다. 부하에 제공되는 최대 전류는 온칩 전류 프로그래밍 루프를 통해 조정됩니다. 총 4개(전압용 2개 및 전류용 2개)의 제어 루프가 있어 12V 또는 48V 버스의 전압 및 전류 제어를 지원합니다.

60kHz에서 475kHz까지 사용자가 선택할 수 있는 고정 주파수에서 작동하는 LTC3871은 동일한 범위의 외부 클록에 동기화할 수 있습니다. 또한 경부하 작동은 사용 가능한 펄스 건너뛰기 또는 지속적 작동 모드를 통해 사용자가 선택할 수 있습니다. 기타 기능으로는 부족 전압/초과 전압 차단, 부스트 및 벅 모드를 위한 독립적 루프 보정, 과부하 및 단락 보호, 온도 대비 ±1%의 출력 전압 조정 정확도, 효율성 향상을 위한 EXTVcc 등이 있습니다. LTC3871은 ISO26262 시스템의 진단 범위를 위해 설계되었으며 자동차 ACE-Q100 사양을 충족함이 입증되었습니다.

현재 LTC3871은 3가지 온도 등급과 함께, 내열 기능이 강화된 48리드 LQFP 패키지로 제공됩니다. 이러한 온도 등급에는 고온 자동차 범위인 -40°C ~ 150°C, 확장 및 산업 등급인 -40°C ~ 125°C 범위가 포함됩니다. 이 장치의 일반적인 응용 회로도는 그림 1에서 확인할 수 있습니다. 회로도 상단에 있는 P채널 MOSFET은 단락 및 과전류 보호를 제공하기 위한 것입니다.

그림 1: 26V ~ 58V 입력으로 12V의 출력을 제공하는(30A의 전류 제공), 일반적인 LTC3871 양방향 응용 회로도. (이미지 출처: Linear Technology)

통합 시동 발전기(ISG)

자동차의 시동기와 교류 발전기는 모두 전자적으로 제어되는 ISG로 대체할 수 있습니다. 여기에는 다음과 같은 이점이 있습니다.

• 일반적인 엔진 작동 중 유일한 수동 부품인 시동기 제거
• 크랭크 축과 교류 발전기 사이를 연결하는 벨트와 풀리를 제거할 수 있음
• 부하 덤프 중 발전기 전압의 빠른 제어를 달성할 수 있음
• 현재 사용되는 일부 권선형 회전자 교류 발전기의 브러시와 슬립 링 제거

ISG의 세 가지 주요 특징은 전력 보조, 전기 생성, 시동-정지 기능입니다. ISG는 재생식 브레이크를 통해 전력을 생성하여 차량 감속을 도울 수 있습니다. 재생식 브레이크를 통해 생성된 전력은 48V 배터리를 충전하며 이는 연료 소비를 줄이고 CO₂ 배출을 낮추는 결과를 가져옵니다. 또한 ISG는 기존의 교류 발전기와 유사하게 엔진 작동 중에 전력을 생성합니다. 마지막으로, 차량이 정지하면 ISG가 내연 엔진을 꺼서 연료를 절감할 수 있으며 가스 페달을 밟으면 즉시 재시작합니다. 이러한 기능을 대개 시동-정지 시스템이라고 합니다. 이 시스템에 ISG를 사용하면 엔진 시동 시 더 부드럽게 전이할 수 있습니다.

LTC3871, ISG, 12V 및 48V 배터리가 일반적인 내연 엔진 차량에 어떻게 통합되는지 보여주는 제품 구성도가 그림 2에 나와 있습니다.

그림 2: 일반적인 LTC3871 자동차 응용 분야의 제품 구성도. (이미지 출처: Linear Technology)

벅 및 부스트 모드

단순한 제어 신호를 통해 LTC3871을 벅 모드에서 부스트 모드로 또는 그 반대로 동적으로 원활하게 전환할 수 있습니다. 두 개의 분리된 오차 증폭기를 통해(VHIGH 조절용 1개 및 VLOW 조절용 1개), 벅 모드 및 부스트 모드에 대한 루프 보정을 독립적으로 미세 조정할 수 있어 과도 응답을 최적화할 수 있습니다. 벅 모드에서는 해당하는 오차 증폭기인 ITHLOW가 활성화되어 피크 인덕터 전류를 제어합니다. 반대로 부스트 모드에서는 ITHHIGH가 활성화되며 ITHLOW는 비활성화됩니다. 부스트 모드에서 벅 모드로 또는 벅 모드에서 부스트 모드로 전이되는 동안, 내부 소프트 스타트가 리셋되고 ITH 핀이 제로 전류 레벨에서 파킹되어 새로운 모드로의 매끄러운 전이를 보장합니다.

다상 작동

입력 또는 출력 전압 리플을 높이지 않고 더 많은 출력 전류를 제공하기 위해 여러 개의 LTC3871을 데이지 체인 방식으로 구성하여 다른 위상으로 실행할 수 있습니다. 한 개 LTC3871의 SYNC 핀을 다른 LTC3871의 CLKOUT 핀에 연결하여 두 번째 장치를 첫 번째 장치에 동기화할 수 있습니다. CLKOUT 신호를 다음 LTC3871의 SYNC 핀에 연결하면 전체 시스템의 주파수와 위상을 정렬할 수 있습니다. 최대 12개의 위상을 데이지 체인 방식으로 연결하여 서로 다른 위상으로 동시에 실행할 수 있습니다.

LTC3871의 데모 기판인 DC2348A는 하나 또는 두 개의 LTC3871을 사용하여 2개 또는 4개 위상으로 구성할 수 있습니다. 그림 3은 4상 버전을 보여줍니다. 이 데모 회로는 벅 모드에서 작동할 경우 30V ~ 75V의 입력 전압 범위를 가지며 최대 60A에서 12V를 출력합니다. 부스트 모드에서 작동할 경우에는 입력 전압이 10V ~ 13V 범위이며 출력은 48V(최대 10A 기준)입니다.

그림 3: LTC3871 4상 데모 기판. (이미지 출처: Linear Technology)

그림 4의 효율성 곡선은 2개의 LTC3871 장치를 활용하는 4상 데모 기판에서 일반적으로 나타나는 것입니다. 벅 모드 곡선은 48V 입력을 12V로 강압할 때의(최대 60A 기준) 효율성을 보여주는 반면 부스트 모드 곡선은 데모 기판이 12V 입력을 48V로 승압할 때의(최대 10A 기준) 효율성을 보여줍니다. 두 곡선 모두에서 피크 효율성은 97%인 것을 볼 수 있습니다.

그림 4: 4상 설계 LTC3871의 벅 및 부스트 효율성 곡선 (이미지 출처: Linear Technology)

과전류 보호

LTC3871에는 벅 모드에서 과전류 상황 또는 VLOW가 접지로 단락된 경우 내전력을 제한하기 위한 전류 폴드백 보호 기능이 포함됩니다. 전류 폴드백 보호는 소프트 스타트 상태 중에 자동으로 활성화됩니다. VLOW가 공칭 출력 수준의 85% 미만으로 떨어질 경우, 최대 감지 전압은 프로그래밍된 최대값에서 최대값의 1/3까지 점차적으로 낮아집니다. LTC3871은 단락 전류를 제한하기 위해 단락 상황에서 매우 낮은 듀티 사이클로 주기 건너뛰기를 시작합니다.

동기식 MOSFET의 동기식 다이오드 또는 바디 다이오드는 일반적인 부스트 컨트롤러에서 입력에서 출력으로 전류를 흐르게 합니다. 그 결과 차단 다이오드나 MOSFET이 전류를 차단하지 않아도 출력(VHIGH) 단락이 입력(VLOW) 강압을 야기합니다. VHIGH가 접지로 단락된 경우 LTC3871은 입력 단락 보호를 위해 외부의 낮은 R_DS(ON) P 채널 MOSFET을 사용합니다. P 채널 MOSFET은 게이트-소스 전압이 최대 15V로 고정된 상태로 정상 작동 시 항시 켜져 있습니다. UVHIGH 핀 전압이 1.2V 임계값에 못 미치는 경우 나중에 FAULT 핀이 125μs 미만으로 떨어집니다. 이러한 상황이 발생하면 외부 P 채널 MOSFET이 PGATE 핀에 의해 꺼집니다.

결론

LTC3871은 승압 및 강압을 위해 동일한 외부 전력 부품을 사용할 수 있도록 하므로 이중 배터리 48V/12V DC/DC 자동차 시스템에 대해 향상된 제어 및 개선된 단순성과 함께 새로운 수준의 성능을 제공할 수 있습니다. 이 장치는 48V에서 12V로 강압하는 벅 모드와 12V에서 48V로 승압하는 부스트 모드 사이를 자동으로 전환할 수 있습니다. 엔진 시동과 같이 더 높은 전력이 필요한 응용 제품의 경우 최대 12개의 위상을 병렬화할 수 있으며, 동일한 부하로 두 배터리에서 동시에 에너지를 풀링할 수 있습니다. 추가적인 48V 배터리는 차량 전기 시스템의 일부를 선택하여 실행할 수 있으며 동시에 사용 가능한 에너지를 늘리고 배선 하니스 무게를 낮추며 전기적 손실을 줄일 수 있습니다. 이 추가적인 에너지와 더불어 차량의 안전성을 향상시키고 효율성을 높이며 CO₂ 배출을 줄이는 새로운 기술을 활용할 수 있습니다.