모듈식 전력 컨버터를 사용하여 혁신적인 전력 배송 네트워크 구축

전기 자동차(EV) 전력 배송 네트워크(PDN)가 빠르게 진화하고 있습니다. 12V 납축 배터리와 같은 기존 전력 공급원은 48V 이상의 전원으로 대체되고 있습니다. 하지만 모터, 펌프, 센서, 액추에이터와 같은 제품은 여전히 기존의 낮은 전압으로 작동하는 경우가 많습니다. 따라서, 높은 전압을 효율적으로 낮추어 이와 같은 다양한 부하에 분배해야 합니다. 전력 시스템의 설계자는 이러한 목표를 달성하는 동시에 저항 전압 강하 및 관련 전력 손실을 최소화하기 위해, 과거의 중앙 집중식 접근 방식(전원 근처에 대형 DC/DC 컨버터 사용 방식)에서 분산형 아키텍처(고전압을 각 저전압 부하 근처의 개별 전력 컨버터로 분배하는 방식)로 전환하고 있습니다.

이러한 분산형 PDN에는 높은 전력 밀도, 최적의 효율성, 작은 실장 면적을 갖춘 경량 전원 공급 장치가 필요합니다. 설계 최적화를 위해 기존 개별 부품을 사용하여 이러한 컨버터를 자체적으로 설계하려는 경우도 있지만, 이는 힘든 작업이 될 수 있습니다.

더 나은 옵션은 광범위한 설계 경험과 입력 전압 범위, 출력 전압, 전력, 밀도, 효율성과 같은 PDN 요구 사항에 대응하여 다양한 솔루션을 갖추고 있는 공급업체에서 제공하는 기성품 모듈식 장치를 선택하는 것입니다.

이 기사에서는 최신 PDN의 요구 사항과 일반적인 전원 공급 장치의 요구 사항에 대해 설명합니다. 이 기사에서는 Vicor의 모듈식 전원 공급 장치 솔루션의 사례를 소개하고, 이 제품이 고성능 및 비용 효율적인 PDN에 어떻게 적용될 수 있는지 보여줍니다.

PDN의 진화

전기차 및 하이브리드 EV는 운전자와 승객에게 다양한 서비스를 제공하는 동시에 주행 거리를 최대화하고 충전 시간을 최소화해야 합니다. 이러한 요구 사항으로 인해, 효율적이고 경량화된 설계에 중점을 두게 됩니다. 그 결과 차량 제조업체는 중앙 집중식 PDN 아키텍처에서 분산화된 구역형 아키텍처로 전환하고 있습니다(그림 1).

그림 1: 중앙 집중식 아키텍처는 소스 전압을 소스 근처에서 12V 부하 전압으로 변환한 후, 이를 차량 전체에 분배합니다. 반면 분산된 구역형 아키텍처는 소스 전압을 로컬 DC/DC 컨버터로 분배한 후, 부하와 최대한 가까운 곳에서 12V로 전압을 강하합니다. (이미지 출처: Vicor)

중앙 집중식 아키텍처는 기존의 저주파 펄스 폭 변조(PWM) 스위칭 토폴로지를 사용하는 대형 DC/DC 컨버터인 '실버 박스'를 통해 48V 소스를 12V로 변환합니다. 그런 다음 전력은 실버 박스에서 12V로 분배됩니다. 부하에 전달되는 해당 전력에 대하여, 12V에서의 전류 레벨은 48V 전위 하에서 전달되는 전류보다 4배 더 큽니다. 이는 전류의 제곱에 비례하는 값인 저항성 전력 손실이 16배 더 높다는 것을 의미합니다.

반면에 구역형 아키텍처는 48V 소스를 로컬 구역에 분배한 후, 더 작고 효율성이 높은 48V를 12V로 변환하는 DC/DC 컨버터가 부하에 전력을 공급합니다. 전류 레벨이 낮을수록 더 작은 컨덕터와 커넥터 단면적이 요구되므로, 더 저렴하고 무게가 가벼운 배선 하니스를 사용할 수 있게 됩니다. 로컬 컨버터는 12V 전력 배선의 길이를 최소화하기 위해 부하에 더 가깝게 배치됩니다.

구역형 시스템에서는 방열 원이 소스 근처에 집중되지 않고 차량의 구역 전체에 넓게 분산됩니다. 이를 통해 전반적인 열 방출이 개선되어 개별 컨버터가 더 낮은 온도 환경에서 작동할 수 있습니다. 그 결과 운영 효율성과 신뢰성이 향상됩니다.

PDN 전원 공급 장치 설계하기

개별 부품을 사용하여 맞춤형 PDN 컨버터 설계를 구현할 수도 있지만, 전원 공급 장치 설계는 매우 험난한 작업입니다. 이에 필수적인 응용 분야 및 규제 요구 사항을 충족할 기술이나 경험을 갖춘 엔지니어는 소수에 불과하며, 모듈식 접근 방식이 더 간단하고 나은 선택입니다.

모듈식 PDN 설계는 아키텍처의 유연성과 확장성이 가능하도록 다양한 전력 관련 기능을 제공하는 전력 모듈 가용성에 크게 좌우됩니다 (그림 2).

그림 2: 모듈식 PDN 설계는 유연성과 확장성 보장을 위해 다양한 솔루션을 갖춘 제조업체가 매우 중요합니다. (이미지 출처: Vicor)

기본 구역형 PDN 아키텍처(왼쪽 상단)는 48V 전원을 로컬 DC/DC 모듈식 컨버터에 분배하여 전압을 필요한 수준으로 떨어뜨립니다. 부하 요구 사항이 변하는 경우, 더 높은 정격 전력을 가진 모듈로 간단히 업그레이드할 수 있습니다(가운데 상단). 새로운 부하를 추가하려면 또 다른 모듈식 컨버터를 추가하기만 하면 됩니다(오른쪽 상단). 소스 구성을 변경하지 않아도 됩니다.

전력 레일 손실을 줄이려면 팩터라이즈드 아키텍처(Factorized Architecture)를 약간만 변경하면 됩니다(왼쪽 하단). 팩터라이즈드 아키텍처는 전력 조정과 전압/전류 변환을 두 개의 분리된 모듈로 분할합니다. 사전 조정기 모듈(PRM)은 전압 조정 기능을 관리합니다. 팩터라이즈드 버스 전류가 감지되어 레일의 출력 전압을 조정합니다. 전압 변환 모듈(VTM)은 DC 변압기와 유사하게 작동하며 전압 감소/전류 증폭을 관리합니다. VTM은 DC/DC 컨버터 모듈 전체보다 작으며 부하에 더 가깝게 배치하여 저항 손실을 줄일 수 있습니다. 또한 출력 임피던스가 낮기 때문에 더 작은 출력 커패시터를 사용하게 됩니다. 즉, 더 작은 크기의 세라믹 커패시터로 부하 주변의 더 큰 대용량 커패시터를 대체할 수 있습니다.

여러 개의 컨버터 모듈을 병렬로 연결하면 더 큰 전력에 대한 요구를 충족할 수 있습니다(중앙 하단). 400V 또는 800V와 같은 더 높은 전압 소스로 업데이트하려면, 고정 비율 강압 모듈과 버스 컨버터 모듈(BCM)을 추가하여 소스 전압을 안전 초저전압(SELV) 버스 레벨로 낮추면 됩니다(오른쪽 하단). SELV 버스는 감전으로부터 안전을 보장하기 위해 전기 장치의 최대 전압 제한값을 지정하는 안전 표준입니다. SELV 전압 레벨은 일반적으로 53V 미만입니다.

이러한 사례를 통해 구역형 아키텍처에서 사용할 수 있는 유연성과 확장성을 살펴볼 수 있습니다. Vicor는 다양한 응용 분야에 적합한 DCM 계열의 광범위한 컨버터 모듈을 공급합니다. Vicor는 ChiP(Converter housed in Package: 패키지에 내장된 컨버터) 및 VIA(Vicor Integrated Adapter: Vicor 통합 어댑터) 패키지를 포함하여 전력 모듈 설계 분야에서 여러 혁신적 발전을 선도했습니다(그림 3).

그림 3: DCM 계열의 ChiP 및 VIA 물리적 구성의 예. (이미지 출처: Vicor)

이 패키지는 이전 패키지 구성에 비해 전력 밀도를 4배 높이는 동시에 전력 손실은 20% 감소시킵니다. ChiP는 고밀도 기판을 관통하여 실장되는 자기 구조물을 사용합니다. 전력 밀도를 두 배로 높이기 위해 양면 레이아웃 방식을 사용하여 실장되는 부품도 있습니다. 열 성능을 향상하기 위해 부품은 패키지 내에 대칭형으로 배치됩니다. 이러한 첨단 레이아웃 및 최적화된 금형 컴파운드 재료로 인해 열 경로가 개선됩니다. ChiP 모듈은 상단 및 하단 표면 열 임피던스가 낮습니다. 상단 및 하단 표면에 열 결합한 방열판을 사용할 뿐 아니라 전기 연결을 통해 냉각 기능을 보강할 수 있습니다. VIA 모듈은 기본 '브릭(brick)'의 구조적인 요소에 통합형 전자파 장해(EMI) 필터링, 향상된 출력 전압 조정 및 보조 제어 인터페이스를 추가합니다.

DCM 계열 DC/DC 컨버터 모듈의 예

DCM 계열은 조정형 및 분리형 범용 DC/DC 컨버터입니다. 조정되지 않은 넓은 전압 범위 소스를 입력으로 작동하는 이 컨버터는 최대 46.43A의 출력 전류에서 최대 1300W 수준의 전압이 조정된 전력 출력을 생성합니다. 입력과 출력 간에 최대 4,242VDC 분리를 제공합니다. 이러한 분리는 전기적 분리를 의미하며, 입력과 출력 사이에 전류가 직접 흐르지 않음을 의미합니다. 입력 전압이 사람에게 유해할 수 있는 경우, 안전 표준에 따라 이러한 분리가 의무화될 수 있습니다. 입력에 대해 출력을 부동으로 설정하면 출력 극성을 뒤집거나 이동하는 것도 가능합니다.

DCM 제품군은 제로 전압 스위칭(ZVS) 토폴로지를 사용하는데, 이는 전력 장치를 소프트 스위칭함으로써 기존 PWM 컨버터에서 흔히 발생하는 높은 턴온 손실을 줄입니다. ZVS 토폴로지를 사용하면 효율성을 저하하지 않고 더 높은 주파수와 더 높은 입력 전압에서 작동할 수 있습니다. 이러한 컨버터는 500kHz부터 1MHz에 가까운 스위칭 주파수 범위에서 작동합니다. 높은 스위칭 주파수를 사용하면 관련된 자기 및 정전 용량 에너지 저장 부품의 크기 또한 줄어들므로 전력 밀도가 향상됩니다. 입방인치당 최대 1244와트(W/in.³)와 96%의 전력 밀도 및 효율성을 각각 달성할 수 있습니다.

DCM 계열은 입력 전압 범위와 출력 전력 레벨이 겹치는 DCM2322, DCM3623, DCM4623의 세 가지 패키지 크기로 제공됩니다(그림 4).

그림 4: 입력 및 출력 전압 범위를 포함하여 DCM 계열 DC/DC 컨버터의 전기적 특성을 요약한 그래프입니다. (이미지 출처: Vicor)

세 가지 컨버터 제품군의 입력 전압 범위는 9V ~ 420V이며 3VDC ~ 52.8VDC 범위의 단계로 SELV 출력을 갖추고 있습니다. 출력 전압 제한은 공칭 출력 전압의 -40% ~ +10% 범위에서 트리밍될 수 있습니다. 출력은 출력 전압 설정에 관계없이 최대 평균 전력 출력을 기준으로 컨버터가 안전한 작동 영역 내에서 계속 작동할 수 있도록 하기 위한 완전 가동 전류 제한이 있습니다.

DCM 계열에는 입력 저전압 및/또는 과전압, 과온, 출력 과전압, 출력 과전류 및 출력 단락에 대한 오류 보호 기능이 포함되어 있습니다.

세 가지 패키지 크기, 다양한 입력 전압 및 최대 전력 범위를 포함한 몇 가지 DCM 제품의 예가 표 1에 표시되어 있습니다.

표 1: 보편적으로 사용되는 DCM 컨버터의 이러한 특성은 광범위한 응용 분야 요구 사항을 충족하는 데 사용할 수 있는 입력 전압, 출력 전압 및 전력 레벨의 범위를 알려줍니다. (표 출처: Art Pini)

이 표에는 예로 든 각 DCM 컨버터의 주요 특성이 요약되어 있으며, 물리적 크기에 대한 정보를 제공합니다. 이는 사용 가능한 다양한 DCM 모델 중 일부입니다.

일반 응용 분야

DCM 컨버터는 단독으로 사용할 수 있으며, 대부분은 병렬로도 작동 가능합니다. 단독으로 사용하는 경우, 출력이 비분리형 부하점(POL) 조정기를 포함한 여러 부하에 공급될 수 있습니다(그림 5).

그림 5: 이 그림은 직접 부하와 비분리형 POL 조정기를 구동하는 DCM3623T75H06A6T00의 일반적인 응용 분야를 보여 줍니다. (이미지 출처: Vicor)

회로는 간단합니다. 부품 L1, C1, R4, C4 및 Cy는 입력 EMI 필터를 형성합니다. 출력 커패시터 C_Out-Ext는 R_Out-Ext와 함께 제어 루프 안정성을 제공합니다. 커패시터의 유효 직렬 저항(ESR)이 저항기의 역할을 할 수 있으며, 약 10mΩ의 값을 갖습니다. 커패시터는 컨버터의 출력 핀과 물리적으로 가까운 곳에 위치해야 합니다. R_dm, L_b, L₂, _및 C₂ 은 차동 모드 출력 필터를 형성합니다. 필터의 차단 주파수는 스위칭 주파수의 1/10로 설정됩니다.

대부분의 DCM 컨버터는 출력을 병렬로 연결한 상태로 작동할 수 있습니다(어레이 모드). 이렇게 하면 최대 8개 모듈의 출력을 결합하게 되어 부하에 전달되는 전력 출력이 증가합니다(그림 6).

그림 6: 이 회로는 공통 부하를 구동하는 4개의 DCM 컨버터의 병렬 어레이 구동을 보여줍니다. (이미지 출처: Vicor)

외부 부품은 단일 컨버터 사례에서와 같은 기능을 수행합니다. 어레이 모드에서 각 DCM 모듈은 직렬 유도 용량 이전에 출력 정전 용량의 최소값을 확인해야 하며, 출력 접합부보다 개별 컨버터에 더 가깝게 위치해야 합니다. 모든 'N'개의 DCM 모듈이 동시에 시작되는 어레이에서 출력 정전 용량의 최대 값은 최대 N배의 C_out-Ext 값이 될 수 있습니다. 또한 안정성을 보장하고 링잉을 최소화하기 위해 전원 임피던스가 DCM 어레이 입력 임피던스의 1/2 미만이어야 한다는 요구 사항도 있습니다.

결론

차량 및 전기차와 같은 응용 분야는 중앙 집중식 아키텍처에서 분산형 PDN 아키텍처로 주목할 만한 변화를 겪고 있습니다. 개별 부품을 사용하여 관련된 효율성, 전력 밀도 및 무게 요구 사항을 충족하는 DC/DC 컨버터를 설계하는 일은 힘든 작업입니다. 대신 설계자는 Vicor의 DCM 계열 모듈식 전원 공급 장치 솔루션을 사용하여 시간과 비용을 줄일 수 있습니다. 앞서 살펴본 바와 같이, 이러한 모듈은 ChiP 및 VIA와 같은 최첨단 패키지의 선두에 있으며, 혁신적인 ZVS 토폴로지는 확장 가능하고 다양한 기능을 갖추고 있어 여러 응용 분야에 적용할 수 있습니다.