다중 기술 접근 방식을 통한 SMPS 효율성 최적화

스위치 모드 전원 공급 장치(SMPS)는 효율성과 견고성이 뛰어나 전기 자동차(EV) 충전 인프라, 태양광 인버터, 산업용 모터 드라이브와 같은 분야에 적합합니다. 그러나 작동 전압과 전류는 높고, 전도 및 열 손실은 적으며, 폼 팩터는 더 작은 장치가 요구됨에 따라 설계 시 고급 실리콘 카바이드(SiC) MOSFET 기술의 통합이 필요합니다. 최적의 전력 변환 시스템을 만들어 내려면 이 기술을 MOS 게이트 사이리스터 및 고속 복구 브리지 정류기와 신중하게 결합해야 합니다.

이 기사에서는 EV 충전기의 예를 사용하여 SMPS 요구 사항에 대한 개요를 설명합니다. 그런 다음 IXYS/Littelfuse의 SiC MOSFET을 소개하고, 그 기능을 살펴보며, 각각 특정 회로 기능에 최적화된 다양한 장치 기술을 결합하여 어떻게 더 효율적이고 콤팩트한 전력 변환 시스템을 만들 수 있는지 시연합니다.

공용 고속 EV 충전기 인프라를 예로 사용한 최신 SMPS 개요

효율성은 SMPS의 대표적인 특징이지만, 최근의 고전력 응용에서는 기존의 한계를 뛰어 넘는 설계를 시도하고 있습니다. 최대 350kW를 제공하는 레벨 3 시스템과 같은 공용 직류(DC) 고속 충전기의 요구 사항을 고려해 보세요. 효율이 1% 감소하면 3.5kW의 전력 낭비가 발생하여 운영 비용과 열 부하가 모두 크게 증가합니다.

고성능 SiC MOSFET은 효율성 증대에 있어 핵심적인 역할을 합니다. 낮은 전도 저항을 유지하면서 고주파에서 전환할 수 있어 수동 소자의 크기와 변환 손실을 줄일 수 있습니다. 하지만 안타깝게도 그러한 특징으로 인해 SiC MOSFET은 과도 전압 서지에 취약합니다. 따라서 고효율 설계에는 일반적으로 더 우수한 보호 체계가 필요합니다.

또한 SiC MOSFET이 레벨 3 충전기의 모든 부품에 적합한 솔루션은 아닙니다. 예를 들어 공용 충전기에는 냉각수 펌프, 네트워크 통신 및 기타 시스템 기능을 위한 보조 전원 시스템이 필요합니다. 이러한 시스템은 기본 충전 경로가 중단되더라도 계속 작동할 수 있어야 합니다. 여기에는 신뢰성이 높은 실리콘(Si) 다이오드 기반 장치가 더 나은 선택이 될 수 있습니다.

DC 고속 충전 스테이션의 각 섹션별 요구 사항을 이해하고 적절한 장치 기술을 신중하게 선택하는 것이 중요합니다.

고전력 DC-DC 변환을 위한 저저항 SiC MOSFET 사용

레벨 3 고속 충전기의 DC-DC 변환 단계는 최신 SMPS 설계의 과제를 잘 보여줍니다. 출력 전압이 최대 1kV(킬로볼트)인 이 단계에서는 기존에는 고전압 Si 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)를 사용하거나 고전압 SiC MOSFET을 사용해야 했습니다. 두 접근 방식 모두 효율 저하를 초래할 수 있는데, IGBT는 스위칭 손실이 높고, 일부 초기 세대 SiC MOSFET의 경우 전도 손실이 상대적으로 높습니다. 예를 들어, 일부 초기 세대의 고전압 SiC MOSFET은 온 상태 저항(R_DS(ON))이 100mΩ 영역에 불과했습니다.

Littelfuse IXSJxxN120R1 SiC MOSFET 제품군은 이러한 딜레마를 해결할 수 있는 강력한 솔루션을 제공합니다. 이 제품군은 최대 1200볼트의 차단 전압과 18mΩ의 낮은 RDS_(ON)을 결합하며, 이처럼 저항이 낮으면 전도 손실을 최소화하고 뛰어난 열 성능을 제공할 수 있습니다.

이 장치는 2,500V_AC 분리(1분) 기능을 갖춘 분리형 세라믹 패키지로 포장되어 있습니다. 이 설계는 접합-방열판 열 저항을 낮추고 방열판에 대한 표유 정전 용량을 최소화하여 전자파 장해(EMI)를 줄이면서 익숙한 TO-247-3L 패키지를 사용하여 통합이 용이합니다.

대표적인 예로 IXSJ43N120R1이 있습니다(그림 1). 이 장치는 +25°C에서 45A의 연속 드레인 전류 I_D, 36mΩ(통상)의 R_DS(ON)에 정격화되어 있습니다. 또한 79nC의 낮은 게이트 전하와 2453pF의 입력 정전 용량을 제공하여 작은 자성을 사용하는 설계에 적합합니다.

그림 1: IXSJ43N120R1 1,200V SiC MOSFET은 분리형 TO-247-3L 패키지로 제공되며 +25°C에서 45A의 연속 드레인 전류 I_D, 36mΩ(통상)의 R_DS(ON)에 정격화되어 있습니다(이미지 출처: Littelfuse).

고전압 차단 기능을 유지하면서 전도 손실을 줄임으로써 설계자가 컨버터 토폴로지를 간소화하고 열 오버헤드를 줄이며 전체 시스템 효율을 극대화할 수 있는 IXSJxxN120R1 제품군입니다.

액티브 프런트 엔드 성능에서 스위칭 손실 최소화

DC 고속 충전기의 다른 부분에서는 전도 저항보다 스위칭 손실이 더 중요할 수 있습니다. 역률 보정(PFC) 및 고조파 왜곡 요구 사항을 충족하도록 전류 파형을 형성하면서 AC를 DC로 변환하는 액티브 프런트 엔드를 고려해 보세요. 이 단계는 인덕터와 필터 크기를 최소화하기 위해 높은 스위칭 주파수에 의존하기 때문에 스위칭 손실이 전체 효율에 중요한 역할을 하기 때문입니다.

Littelfuse의 LSIC1MO120E SiC MOSFET 계열은 이러한 고주파 응용 분야에 최적화되어 있습니다. 이 장치는 1200V 차단 기능과 낮은 동적 손실을 모두 제공하여 DC 고속 충전기 및 기타 그리드 연결 시스템의 PFC 부스트 컨버터에 매우 적합합니다.

예를 들어, LSIC1MO120E0080(그림 2)은 +25°C에서 39A의 연속 드레인 전류 I(_D)에 정격화되어 있으며, 80mΩ(통상)의 높은 R_DS(ON))과 252µJ의 낮은 사이클당 스위칭 에너지 간에 균형을 맞춥니다. 55°C ~ +175°C로 접합 온도 범위가 넓어, 주변 조건이 매우 다양한 실외 설치에서 추가적인 설계가 가능한 유연성을 제공합니다.

그림 2: LSIC1MO120E0080 SiC MOSFET은 고주파 응용 분야에 최적화되어 있습니다(이미지 출처: Littelfuse).

LSIC1MO120E 계열은 비분리형 TO-247-3 패키지로 제공됩니다. 설계자는 스위칭 손실에 최적화된 LSIC1MO120E를 프런트 엔드에, 전도 손실에 최적화된 IXSJxxN120R1을 DC/DC 스테이지에 결합함으로써 전체 고속 충전 전력 체인에서 효율성을 최적화할 수 있습니다.

MOS 게이트 사이리스터를 사용한 고급 회로 보호 기능

안정적인 작동을 보장하기 위해 DC 고속 충전 시스템은 그리드 유도 서지뿐만 아니라 고장 시 DC 링크의 갑작스러운 에너지 방전에도 견딜 수 있어야 합니다. 이러한 위험으로부터 민감한 시스템을 보호하기 위해 크로우바 스타일의 보호기가 자주 사용되지만, 전력 레벨이 높아지면 이러한 보호 시스템에는 더 높은 전류 처리 능력과 더 빠른 응답 시간이 요구됩니다. 24-SMPD 패키지의 MMIX1H60N150V1(그림 3)과 같은 MOS 게이트 사이리스터는 이러한 요구 사항을 충족시키는 데 매우 적합합니다.

그림 3: MMIX1H60N150V1 MOS 게이트 사이리스터는 24-SMPD 패키지로 제공됩니다(이미지 출처: IXYS/Littelfuse).

DC 충전기 크로우바 회로에 사용할 경우 두드러지는 세 가지 특성은 다음과 같습니다.

• 높은 서지 성능: 1마이크로초(µs)에서 32kA, 10µs에서 11.8kA로 정격화된 이 장치는 다운스트림 SiC MOSFET 스테이지의 성능 저하 없이 심각한 장애를 흡수할 수 있습니다.
• 빠른 트리거링 특성: 지연 시간은 50나노초(ns), 전류 상승 시간은 100ns이므로, 과전압 발생 시 컨버터로 전파되기 전에 신속하게 클램핑할 수 있습니다.
• 통합 병렬 방지 다이오드: 장치에서 양방향 고장 전류를 처리할 수 있게 해주며, 이는 DC 링크 장애에 대비하는 중요한 안전 장치입니다.

이러한 특성들로 인해 MMIX1H60N150V1은 고전력 DC 고속 충전 시스템을 보호하기 위한 강력한 옵션이 될 수 있습니다.

브리지 정류기를 통한 시스템 가용성 및 보조 전원 보장

공용 DC 고속 충전기는 기본 전원 경로 외에도 냉각 펌프, 결제 단말기, 디스플레이 및 통신 링크와 같은 시스템에 보조 전원이 필요합니다. VBE60-06A 브리지 정류기(그림 4)는 이러한 중요 기능에 요구되는 고가용성을 제공하도록 설계되었습니다.

그림 4: VBE60-06A 브리지 정류기에는 나사 구멍이 있어 실장이 용이합니다(이미지 출처: IXYS/Littelfuse).

고성능 고속 복구 다이오드(HiPerFRED) 기술을 기반으로 하는 VBE60-06A는 전도 손실이 낮을 뿐 아니라 우수한 역회복성을 제공합니다. 특히 다음과 같은 세 가지 속성으로 인해 까다로운 인프라 응용 분야에서도 사용이 가능합니다.

• 높은 전력 용량: 600V 역차단 전압과 60A 브리지 출력 전류로 넓은 온도 범위에서 지속적으로 작동해야 하는 실외 장비에서 부하 경감을 위한 여유를 충분하게 제공합니다.
• 낮은 EMI: 35ns에 불과한 역회복 시간과 소프트 복구 동작의 장점이 있어 스위칭 손실을 최소화하고 EMI를 유발할 수 있는 고주파 방출을 줄입니다. 민감한 통신 및 제어 전자 장치를 통합하는 시스템에서는 EMI를 최소화하는 것이 매우 중요합니다.
• 견고한 작동: 이 정류기는 과도 상태에서 안정적인 성능을 발휘하도록 애벌런치 등급을 받은 제품입니다. 업계 표준 SOT-227B 미니블록 패키지가 3000볼트 분리를 제공하여 시스템 안전성을 개선하고 고전압 어셈블리로의 통합이 간편합니다.

VBE60-06A는 보조 서브 시스템에 안정적이고 전자기적으로 조용한 정류 전력을 제공함으로써 공공 충전 네트워크에 필수적인 우수한 가동 시간 및 가용성을 지원합니다.

SMPS 응용 분야를 위한 완벽한 시스템 솔루션 설계

EV 고속 충전기와 관련하여 다룬 시스템 수준 설계 원칙은 다른 까다로운 SMPS 응용 분야에도 바로 적용할 수 있습니다. 예를 들어 태양광 인버터에서 에너지 수확을 극대화하려면 최대 전력 지점 추적(MPPT) 및 인버터 단계에서 전도 및 스위칭 손실을 최소화해야 합니다. 적절한 SiC MOSFET을 함께 사용하면 두 가지 목표를 모두 달성할 수 있으며, MOS 게이트 사이리스터를 사용한 강력한 서지 보호는 시스템 수명과 가동 시간을 보호할 수 있습니다.

산업용 모터 드라이브의 경우도 비슷한 문제를 안고 있습니다. 고주파 스위칭은 진동을 줄이면서 모터를 정밀하게 제어할 수 있지만 열 스트레스를 증가시키기도 합니다. 저손실 SiC MOSFET은 이러한 요구를 제어하여 효율성을 개선하고 운영 비용을 낮추는 데 도움이 됩니다. 동시에 전기적으로 열악한 산업 환경에서는 MOS 게이트 사이리스터가 제공하는 빠르게 작동하는 고전류 보호 기능을 통해 지속적인 산업 작동에 필요한 신뢰성을 보장해야 합니다.

또한 태양광 인버터와 산업용 모터 드라이브는 모두 제어, 모니터링 및 기타 중요한 시스템을 위한 보조 전원을 사용합니다. 이러한 기능에는 신뢰할 수 있고 전자기적으로 조용한 전원이 필요하며, 이러한 역할은 강력한 정격, 소프트 복구 및 낮은 EMI를 갖춘 정류기가 수행할 수 있습니다.

마지막으로, 여기에 소개된 모든 솔루션은 최소 -40°C에서 최대 +150°C에 이르는 넓은 작동 온도 범위를 지원하며, 일부 장치는 더 극한의 온도까지 지원합니다. 작동 온도 범위가 넓어 EV 충전기 및 기타 SMPS 시스템이 배포되는 열악한 환경에서도 장치의 안정성을 유지할 수 있습니다.

결론

안정적이고 효율적인 DC 고속 충전기를 설계하려면 다양한 고성능 장치가 필요합니다. 각 기능 블록은 스위칭 효율성부터 전도 손실, 장기적인 신뢰성에 이르기까지 부품에 대한 자체 요구 사항이 있습니다. Littelfuse는 스위칭, 정류 및 보호를 아우르는 포트폴리오로 이러한 다양한 요구 사항을 해결하여 엔지니어가 완전한 시스템 수준의 솔루션을 조립할 수 있도록 지원합니다. 이러한 이점은 SMPS 응용 분야 전반으로 확장되어 다양한 시장의 까다로운 요구 사항을 충족할 수 있는 도구를 설계자에게 제공합니다.