양방향 전력 컨버터 및 PFC를 사용하여 HEV, BEV 및 전기망 효율성 개선

하이브리드 전기 자동차(HEV) 및 배터리 전기 자동차(BEV)의 전력 시스템 설계자는 비용을 절감하면서 효율성과 신뢰성을 개선해야 한다는 지속적인 압박에 시달리고 있습니다. 이중 12V 및 48V 전력 레일로 전환하면 섀시 배선 무게를 줄여서 효율성을 개선하는 데 도움이 되지만, 설계자는 두 전원이 상호 효율적으로 지원하면서 양방향 V2G(Vehicle-to-Grid) 응용 분야를 지원할 수 있도록 두 전원을 효과적으로 관리할 수 있는 전용 솔루션이 필요합니다.

따라서 설계자가 이중 12V/48V 전기 자동차(ev) 설계의 전체 성능을 최적화하면서 양방향 전력 흐름을 위한 그리드에 연결할 수 있는 양방향 컨버터와 양방향 역률 보정(PFC) 시스템이 개발되었습니다.

이 기사에서는 자동차 시스템에서 양방향 전력 변환의 이점과 관련 표준을 정의하고 검토합니다. 그런 다음 Texas Instruments, Analog Devices, Infineon Technologies와 같은 벤더의 솔루션을 소개하고 이러한 솔루션을 사용하여 양방향 전력 컨버터를 구현할 수 있는 방법을 보여줍니다.

양방향 전력 변환이란?

이중 전압 12V/48V 아키텍처를 사용하는 HEV에서 양방향 전원 공급 장치는 두 배터리가 상호 충전 가능하도록 12V 시스템과 48V 시스템을 연결합니다. 또한 각 배터리가 과부하 조건에서 전압 레일에 추가 전력을 공급할 수 있습니다(그림 1). 따라서 설계자는 더 작은 배터리를 사용하여 신뢰성과 효율성을 높이고 비용은 절감할 수 있습니다.

그림 1: 이중 전압 아키텍처의 핵심인 양방향 전원 공급 장치는 두 배터리가 상호 충전 가능하고 과부하 조건에서 추가 전력을 공급할 수 있도록 12V 시스템과 48V 시스템을 연결합니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

BEV에서 설계자는 양방향 PFC를 사용하여 양방향 배터리 충전과 V2G 작동을 지원할 수 있습니다. V2G 시스템은 다음과 같은 다양한 방식으로 더 높은 효율성을 지원합니다.

• 수요가 많은 기간 동안 그리드에 에너지를 반환할 수 있습니다.
• 그리드에서 부하를 균형 조정하는 데 필요한 경우 배터리의 충전 속도를 줄일 수 있습니다.
• 재생 에너지원의 에너지를 저장하는 데 차량을 이용할 수 있습니다.

HEV의 이중 전압 시스템은 차량 내에서 자급적으로 작동되어 연비를 개선하지만, V2G 시스템의 양방향 충전기는 연비 개선에 더해 폭넓은 비용 혜택을 제공하도록 설계되었으며 외부 세계와 상호 작용해야 합니다.

V2G를 구현하려면 통신 기술 및 그리드 상태를 감지하는 알고리즘뿐만 아니라 전기 자동차 충전 인프라를 연결할 수 있는 기능이 필요합니다(그림 2).

그림 2: 양방향 전력 변환 이외에 V2G 시스템은 다양한 상호 연결 및 통신 표준을 포함해야 합니다. (이미지 출처: Honda)

이에 따른 V2G 인프라는 피크 수요 기간 동안 그리드에 전력을 공급하는 기능(잠재적으로 차량 소유자를 위한 수입 창출), 전기 수요가 낮은 기간 동안 차량 배터리 충전(차량 충전 비용 절감)을 비롯한 경제적 혜택을 제공합니다.

양방향 전력 변환 관련 표준

LV148/VDA320 사양은 이중 전압 자동차 시스템에서 48V 버스와 12V 버스를 결합하기 위한 전기 요구 사항과 테스트 조건을 정의합니다(그림 3). LV148은 독일 자동차 제조업체 Audi, BMW, Daimler, Porsche 및 Volkswagen에 의해 채택되었으며, 전통적인 내연기관차와 HEV 모두에 적용됩니다. 이 기사를 작성하는 시점에 “도로 차량 - 48V 공급 전압 - 전기 요구 사항 및 테스트”에 대한 ISO 21780 표준이 개발되고 있습니다.

그림 3: LV148/VDA320 사양은 이중 전압 자동차 시스템에서 48V 버스와 12V 버스를 결합하기 위한 전기 요구 사항과 테스트 조건을 정의합니다. 이 그림은 48V 버스에 대한 사양을 보여줍니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

다음을 비롯하여 V2G 시스템에 적용될 수 있는 다양한 통신 프로토콜이 있습니다.

• ISO/IEC 15118: 전기 자동차의 양방향 충전/방전을 위한 V2G 통신 인터페이스를 정의합니다. 강력한 통신과 높은 데이터 전송률을 보장하는 데 가장 적합한 프로토콜로 IEEE P1901.2 HPGP(HomePlug Green PHY) 광대역 전력선 통신(PLC) 사양을 사용합니다. 2MHz ~ 30MHz 사이의 주파수에서 작동하는 HPGP를 사용하면 연결된 라인의 유효한 데이터를 근접한 다른 출처의 잡음과 구별할 수 있습니다.
• IEC 61850: 재생 가능 전기 리소스와 전기 자동차 공급 장비(EVSE)(예: 충전기) 사이의 에너지 흐름을 관리하는 데 도움이 되는 기지국의 지능형 전자 장치를 위한 통신 프로토콜을 정의합니다.

그림 4: IEC 61850은 V2G 시스템을 위한 전력 및 데이터 흐름을 정의하고 IEEE P1901.2 HPGP PLC 사양을 사용하여 강력한 통신과 높은 데이터 전송률을 보장합니다. (이미지 출처: IBIS)

12V/48V 시스템을 위한 양방향 다상 DC-DC 컨버터

일반 12V/48V 양방향 DC-DC 컨버터는 높은 전력 레벨로 인해 일반적으로 다상 토폴로지를 사용합니다. 다상 설계는 위상 강하를 지원하고 전력 수요가 감소하면 활성 위상 수를 줄임으로써 전체 변환 효율을 개선합니다. 또한 다상 설계를 활용하면 각 위상 출력에서 더 작은 필터 부품을 사용할 수 있으며, 작은 인덕터를 사용하여 부하 과도 성능을 개선합니다. 적절한 인터리빙으로 위상을 작동하여 출력 리플이 감소합니다.

Texas Instruments의 LM5170-Q1은 자동차 이중 배터리 시스템의 48V 섹션과 12V 섹션 사이의 전류 전송을 관리하기 위한 고성능 다상 양방향 전류 컨트롤러입니다(그림 5). LM5170-Q1은 고전력 컨버터 설계를 지원하는 필수 아날로그 기능을 최소한의 외부 부품과 통합합니다. 다상 병렬 작동은 3상 또는 4상 작동에 대해 두 개의 LM5170-Q1 컨트롤러를 연결하여 실현하며, 더 높은 수의 위상에 대해서는 위상 변이 클록에 다양한 컨트롤러를 동기화하여 실현할 수 있습니다.

그림 5: LM5170-Q1 다상 양방향 전류 컨트롤러는 자동차 이중 배터리 시스템의 48V 섹션과 12V 섹션 사이의 전류 전송을 관리합니다. 빨간색 화살표는 양방향 전류 흐름을 강조합니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

LM5170-Q1은 이중 채널 차동 전류 감지 증폭기 및 전용 채널 전류 모니터를 포함하여 통상 1%의 전류 정확도를 실현합니다. 견고한 5A 하프브리지 게이트 구동기는 채널당 500W 또는 그 이상을 전달하는 병렬 MOSFET 스위치를 구동할 수 있습니다. 동기식 정류기의 다이오드 에뮬레이션 모드는 네거티브 전류를 방지할 뿐만 아니라 경부하 효율을 향상하기 위한 불연속 모드 작동을 지원합니다. 주기별 전류 제한, 고온 포트와 저온 포트 모두에서의 과전압 보호, MOSFET 고장 감지 및 과온 보호 기능을 포함한 다양한 보호 기능이 제공됩니다. 이 컨트롤러는 자동차 기능 안전을 지원합니다.

엔지니어가 12V/48V 이중 배터리 시스템 응용 분야에서 LM5170-Q1을 평가할 수 있도록 Texas Instruments는 LM5170EVM-BIDIR 평가 모듈을 제공합니다. 두 개의 위상이 180˚ 인터리빙 상태로 작동하고 최대 60A의 DC 전류를 균등하게 공유합니다. 또한 이 평가 모듈은 다양한 점퍼를 포함하여 마이크로 컨트롤러(MCU)와 고전력 단방향 벅 또는 부스트 컨버터에 의한 제어 기능을 비롯한 다양한 사용 사례에 맞게 회로를 유연하고 편리하게 구성할 수 있습니다.

양방향 컨버터의 마스터/슬레이브 다상 아키텍처

Analog Devices는 12V/48V 양방향 전력 컨버터에서 사용할 수 있는 LT8708 벅 부스트 스위칭 조정기 컨트롤러를 제공합니다. LT8708은 최대 약 30A의 부하 전류를 지원할 수 있는 양방향 기능을 갖춘 80V 동기식 4스위치 벅 부스트 DC-DC 컨트롤러입니다. 더 높은 전류가 필요한 경우 LT8708 마스터 컨트롤러를 하나 이상의 슬레이브 칩과 결합할 수 있습니다. 더 높은 가격대의 단일 마스터 IC가 더 낮은 가격대의 여러 슬레이브 IC를 제어할 수 있으므로 마스터/슬레이브 아키텍처를 사용하면 다상 설계에서 솔루션 비용을 절감할 수 있습니다.

슬레이브는 마스터에 연결되어 시스템의 전력 용량과 전류 용량을 비례하여 높입니다. 하지만 슬레이브는 LT8708과 동일한 전도 모드를 사용하므로 마스터와 동일한 방향으로 전류와 전력을 유도할 수 있습니다. 마스터는 LT8708 다상 시스템의 전체 전류 및 전압 제한을 제어하고, 슬레이브는 해당 제한을 준수합니다.

네 개의 신호를 함께 연결하여 슬레이브를 LT8708과 손쉽게 병렬로 배치할 수 있습니다(그림 6). 두 추가 전류 제한(순뱡향 V_IN 전류 및 역방향 V_IN 전류)을 각 슬레이브에서 사용 가능하며 독립적으로 설정할 수 있습니다.

그림 6: LT8708(마스터)과 슬레이브 IC를 사용하는 3상 DC-DC 컨버터에서는 네 가지 신호의 상호 연결을 강조합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

Analog Devices의 DC2719A 데모 기판은 연결된 슬레이브(LT8708-1)와 결합된 LT8708을 사용하여 40A 전류를 제공합니다. 이 기판은 순방향 모드와 역방향 모드 모두에서 작동할 수 있습니다. 이 컨트롤러에는 순뱡향 또는 역방향 전류 흐름을 제어하는 두 입력 및 출력 전류 조정기 세트와 입력 전압 및 출력 전압 조정기가 통합되어 있습니다. 배터리/커패시터 백업 시스템과 V_IN, V_OUT, I_IN 및/또는 I_OUT의 조정이 필요한 기타 응용 제품에서 양방향 전력 변환을 간소화하는 기능이 구현되어 있습니다.

그리드 대화식 BEV를 위한 양방향 역률 보정

그리드 대화식 BEV 설계자를 위해 Infineon은 양방향 전력 성능을 갖춘 3300W 브리지리스 토템폴 역률 보정기인 EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 평가 기판을 제공합니다(그림 7). 이 브리지리스 토템폴 PFC 기판은 높은 효율성(약 99%)과 높은 출력 밀도(입방인치당 72W)가 필요한 응용 분야를 위한 것입니다.

그림 7: EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1은 3300W 브리지리스 토템폴 PFC 기판입니다. (이미지 출처: Infineon)

연속 전도 모드(CCM) 작동을 지원하는 PFC 응용 분야의 토템폴 토폴로지는 와이드 밴드갭 반도체를 사용하여 실현 가능합니다. 이 경우 TO-247 4핀 패키지의 Infineon IMZA65R048M1 CoolSiC MOSFET을 사용하면 반부하에서 효율성을 99%로 높일 수 있습니다. 이 컨버터는 65kHz 스위칭 주파수 CCM의 높은 선간 전압(최소 176Vrms, 공칭 230Vrms)에서 단독으로 작동합니다.

이 3300W 브리지리스 양방향(PFC/AC-DC 및 인버터/AC-DC) 토템폴은 Infineon 전력 반도체와 Infineon 구동기 및 컨트롤러를 통해 개발된 시스템 솔루션입니다. 설계에 사용되는 Infineon 장치는 다음과 같습니다.

• 토템폴 PFC 고주파 스위치로 사용되는 TO-247 4핀 패키지의 64mΩ 650V CoolSiC MOSFET(IMZA65R048M1)
• 토템폴 PFC 귀로(저주파 브리지)를 위한 TO-247 패키지의 17mΩ 600V CoolMOS C7 MOSFET(IPW60R017C7)
• 2EDF7275F 절연 게이트 구동기(EiceDRIVER)
• 바이어스 보조 공급 장치를 위한 ICE5QSAG QR 플라이백 컨트롤러 및 950V CoolMOS P7 MOSFET(IPU95R3K7P7AKMA1)
• PFC 제어 구현을 위한 XMC1404Q048X0200AAXUMA1 Infineon 마이크로 컨트롤러

EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 기판에서 구현되는 토템폴은 CCM에서 정류기(PFC) 모드와 인버터 모드 모두에서 작동하며 Infineon XMC1404Q048X0200AAXUMA1 마이크로 컨트롤러를 통한 디지털 제어를 완벽히 구현합니다.

결론

효율성을 개선하려는 설계자를 위해 이중 전압 12V/48V 아키텍처가 HEV 및 BEV용 토폴로지로 등장했습니다. 이 아키텍처를 최적의 상태로 활용하려면 전력을 효율적으로 관리해야 합니다. 충전이 필요한 경우나 과부하 상태에서 12V 시스템과 48V 시스템이 상호 지원할 수 있도록 양방향 DC-DC 컨버터와 배터리 충전기가 등장했습니다.

또한 BEV 경우에 양방향 PFC 스테이지에서 배터리와 전력망 사이의 양방향 전력 흐름을 지원합니다. 이에 따른 V2G 연결은 피크 수요 기간 동안 그리드에 전력을 공급하는 기능, 전기 수요가 낮은 기간 동안 차량 배터리 충전 기능을 비롯하여 연비 개선 이상의 경제적 혜택을 제공합니다.

권장 참고 자료

1. 특수 전력 컨버터를 사용하여 자동차 시스템의 이중 12V와 48V 사이의 간극 메우기
2. Bringing EVs into the Smart Grid for Stability and Security(안정성과 보안을 위한 EV의 스마트 그리드 도입)