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온보드 충전기(OBC)와 고전압-저전압 DC-DC 컨버터 같은 전기차 파워트레인 서브시스템에는 다양한 아키텍처와 토폴로지가 사용됩니다. 이러한 시스템에서 전력 흐름의 효율적인 제어와 관리는 하나 이상의 실시간 마이크로컨트롤러(MCU)를 사용하여 달성할 수 있습니다.

전기차(EV) 시장은 2010년 이후 급격하게 성장하고 있으며, OEM(주문자 상표부착 생산) 업체들은 2025년까지 출시될 EV 모델을 발표했다. 하이브리드보다는 순수 EV를 향한 이러한 진화는 내연기관 판매 제한 관련 강력한 정부의 환경 정책에 대한 대응이라 할 수 있습니다.

고용량 배터리 팩은 제한적인 주행 거리에 따른 소비자 불안을 덜어주지만 EV의 파워 일렉트로닉스 부품의 발전이 수반되어야 합니다. 특히, 온보드 충전기(OBC)는 더 높은 전원 용량을 수용하기 위해 더 높은 전원 정격을 수용해야 할 뿐 아니라 차량의 중량을 줄이고 충전당 비용을 절약하기 위해 더 높은 전력 밀도와 효율성을 갖추어야 합니다.

질화갈륨(GaN) 및 실리콘 카바이드(SiC) 와이드 밴드갭 전원 반도체가 등장하면서 전기차에서 파워 일렉트로닉스의 크기와 중량을 대폭 절감할 기회가 생겼습니다. 이러한 반도체는 실리콘보다 훨씬 더 높은 주파수에서 효율적으로 작동할 수 있기 때문입니다.

OEM과 주요 공급업체가 해결해야 할 과제는 전력망 인프라가 상이한 여러 지리적 위치를 지원할 수 있는 OBC 솔루션을 제공하는 것입니다. 예를 들어, 중국의 고전력 EV 충전기는 3상 송전선에 대한 연결을 지원해야 하고, 미국의 EV는 단상 송전선에 연결해야 합니다. OEM은 보통 전원 정격이 3.3kW부터 22kW에 이르는(그리고 어떤 경우에는 최대 44kW에 이르는) 버전을 공급하기를 원합니다.

파워트레인에서 가장 중요한 시스템은 그림 1과 같이 고전압 배터리를 충전하는 데 사용하는 OBC, 12V/48V 배터리를 충전하는 고전압-저전압 DC/DC 컨버터, EV 모터를 제어하는 트랙션 인버터입니다.

그림 1. EV 파워트레인 시스템 블록 다이어그램

 

이러한 시스템의 효율적인 제어와 관리는 하나 이상의 실시간 마이크로컨트롤러(MCU)를 사용하여 달성할 수 있습니다. 기계 비용을 절약하고 파워 일렉트로닉스의 크기를 줄이기 위해 OBC 장비를 고전압-저전압 DC/DC 컨버터와 통합하는 것이 일반적인 추세입니다. 고전압-저전압 DC/DC 컨버터는 보드 공간을 많게는 10~20%까지 절약할 수 있습니다. 하지만 이 경우 실시간 MCU에 대한 요구 사항이 추가되는데, 이는 여러 전력단을 관리하려면 실시간 MCU가 더 많은 펄스 폭 모듈레이터(PWM)와 더 많은 ADC를 지원해야 하고 멀티코어 프로세싱을 고려해야 하기 때문입니다.

더 나아가, OBC는 차량-전력망에 대한 양방향 작동을 지원해야 하며, 이로 인해 더 복잡한 토폴로지를 선택하게 되어 OBC MCU를 선택할 때 훨씬 더 세심한 주의를 기울여야 합니다. MCU는 다음의 기능을 포함해야 합니다

  • 전력 컨버터의 듀티 사이클, 주파수, 불감대, 위상 전환에 대한 고해상도 제어를 통해 고주파 작동을 구현하여 자기 크기와 중량을 줄입니다.
  • 임계 모드 작동과 밸리 스위칭처럼 효율성을 저해하지 않는 소프트 스위치 체계를 구현하여 손실을 줄입니다.
  • 설계 시 콤퍼레이터와 디지털-아날로그 컨버터(DAC) 같은 외부 구성 요소의 개수를 줄일 수 있는 아날로그 통합을 확대하여 비용을 절감합니다.

또한 MCUOBC를 고전압-저전압 DC/DC 컨버터와 통합할 때 다양한 옵션을 지원하는 확장 가능한 포트폴리오를 갖춰야 합니다. 본 기술백서에서는 각 단계별로 일반적인 토폴로지와 과제를 살펴보고 이러한 과제를 해결하는 데 도움이 될 C2000 실시간 MCU의 기능을 집중 조명합니다.

온보드 충전기의 토템 폴 PFC와 CLLLC 토폴로지

그림 2. 단상 PFC와 절연 DC/DC 스테이지가 포함된 OBC 전력단

그림 2OBC PFC용 토템 폴 PFC 스테이지와 OBC DC/DC용 커패시터-인덕터-인덕터-인덕터-커패시터(CLLLC) 스테이지가 포함된 3.3kW OBC를 보여줍니다. 토템 폴 브리지리스 PFC는 전류 경로 내 전력 장치의 개수를 줄여서 효율성을 개선하고 양방향 작동(기존의 브리지 기반 PFC와 비교됨)을 구현합니다. 토템 폴 브리지리스 PFC의 구현이 이전에는 더 낮은 전력 수준으로 제한되었는데, 이는 오직 실리콘 전력 금속 산화막 반도체 메탈 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)에 내재된 바디 다이오드가 하드 스위칭 조건에서 높은 역복구 손실에 취약했기 때문입니다. 그 구조에는 이러한 바디 다이오드가 없기때문에, 텍사스인스트루먼트의 LMG3410R050과 같은 GaN 전원 스위치는 이제 사실상 수kW의 토템 폴 브리지리스 PFC 전원 공급 장치를 구현하는 것이 가능해졌습니다. GaN 장치는 출력 커패시턴스(Coss)가 낮아서 높은 주파수(100~200kHz)에서 작동할 수 있습니다. 그래서 더 작은 인덕터를 사용하는 것이 허용되며 따라서 토템 폴 PFC 컨버터에 필요한 수동 구성 요소의 크기가 줄어듭니다.

하지만 데드 타임 중에는 GaN 스위치의 3사분면 작동이 추가 손실을 초래하기 때문에, 실시간 MCU가 데드 타임을 정밀하게 조절하여 이러한 손실을 최적화해야 합니다. C2000 실시간 MCU 유형 4 PWM은 불감대를 150ps의 해상도로 규제할 수 있는 고해상 데드 타임 같은 기능을 구현합니다. 한 예로, 100kHz 토템 폴 PFC의 경우 데드 타임 최적화를 통한 손실 감소분은 1W입니다. 설계자들이 스위칭 주파수를 1MHz로 늘리고 임계 모드 PFC와 같은 제어 기법을 사용하여 인덕터 크기를 더욱 줄이기 때문에 전력 손실 감소분은 최대 10W가 될 수 있습니다. 그래서 3사분면 손실의 최적화가 중요한 기능인 것이며, 이를 위해 필요한 경우 데드 타임을 정밀하고 정확하게 제어하는 것이 중요합니다.

고전압-저전압 DC/DC 컨버터에 대한 피크 전류 모드 제어

OBC DC/DC 스테이지를 살펴보면 CLLLC와 같은 절연 DC/DC 컨버터는 자기 부품 크기를 더 작게 할 수 있는 더 높은 스위칭 주파수를 구현하기 위해 소프트 스위칭 기능을 제공하는 확장형 제로 전압 스위칭(ZVS) 레인지가 있어서 많이 선택됩니다. 또한 동기 정류 체계(그림 3)는 효율성 개선을 많게는 2%까지 구현할 수 있지만, 이 체계는 구축하기 어려우며 외부 회로가 필요할 때가 많습니다.

그림 3. 고주파 컨버터용 온칩 리소스가 포함된 능동형 동기 정류 체계

C2000 MCU의 통합 비교기 서브시스템은 DAC, 비교기 또는 로직 게이트와 같은 외부 구성 요소 없이 동기 정류를 구현합니다. 또한 유형 4 PWMPWM 기간 동안 추가 블랭킹 윈도우를 허용하며, 동기 정류 체계에 견고함을 더하기 위해 전류 크로싱 이벤트를 래치하여 구현에 소음 복원성능을 높일 수 있습니다.

고전압-저전압 DC/DC 컨버터를 살펴보면 위상 전환 풀 브리지(PSFB)는 일반적으로 사용되는 토폴로지입니다. 피크 전류 모드 제어기능이 있다면 추가 비용을 들여서 DC 차단 커패시터를 추가하지 않아도 됩니다.

그림 4. 기울기 보상이 있는 피크 전류 모드 제어 구현

C2000 실시간 MCU 콤퍼레이터 서브시스템에서의 첨단 아날로그 통합은 디지털 제어기를 통해 이 첨단 제어를 달성할 수 있도록 합니다. 또한 피크전류 이벤트가 발생할 때 불감대를 삽입하는 등의 유형 4 PWM 기능을 사용하면 디지털 컨트롤러가 보완적 PWM을 발생시킬 수 있습니다. 그러면 서로 다른 라인 및 부하 조건에서 불감대를 변경하여 소프트 스위칭을 유지할 수 있습니다. 디지털 제어는 고전압-저전압 DC/DC 컨버터를 사용하여 트랙션 인버터 버스 프리차지 등의 추가 기능도 구현합니다. 이럴 경우, 외부 프리차지 저항에 대한 필요가 없어지고 더 나아가 파워트레인의 구성 요소를 줄일 수 있습니다.

온보드 충전기용 실시간 MCU의 확장 가능한 포트폴리오

OBC는 플러그인 3.3kW(하이브리드 EV의 경우)부터 6.6~22kW(EV의 경우)까지 이릅니다. 3.3~6.6kW OBC에 인기 있는 아키텍처에는 토템 폴 PFCCLLLC가 포함됩니다. 1에는 시스템 아키텍처에 따라 사용 가능한 다양한 실시간 MCU 옵션은 물론 통합 옵션이 나열되어 있습니다.

1. 3.3~6.6kW OBC 및 고전압-저전압 DC/DC 시스템용 실시간 MCU

11kW 이상의 OBC에서 선택하는 한 가지 접근 방식은 3개의 3.6kW 충전기(토폴로지 측면에서 3.3kW 충전기와 비슷함)를 적층하는 것입니다. 이를 가리켜 모듈식 OBC 접근 방식이라고 합니다. 11kW 충전기를 적층하거나 병렬화 또는 다른 전계 효과 트랜지스터(FET) 선택을 통해 전력 정격을 높여서 22kW 충전기를 추가로 설계하는 것도 가능합니다. 11kW에 대한 또 다른 접근 방식은 단상 작동에 대한 경감과 함께 3 PFC 프론트 엔드를 사용합니다.

OEM이 선택한 접근 방식은 지리적 위치에 따라 달라질 수 있습니다. 예를 들어 미국에서는 단상을 더 쉽게 이용할 수 있습니다.

모듈식 접근 방식(11kW에 도달하기 위해 단상 충전기 3개를 적층하는 방식)에서 각 모듈은 3.6kW용으로 설계되었으며, 단상 AC 입력과 연동하며, 보통 단상 PFC 스테이지와 DC/DC 스테이지가 있습니다(그림 5). 고전압 및 저전압 DC/DC 컨버터는 한쪽은 고전압 배터리, 다른 쪽은 12V에 연결됩니다.

그림 5. 3.6kW 적층형 충전기와 고전압-저전압 DC/DC 컨버터가 포함된 11kW OBC

그래서 모듈식 접근 방식이 많이 사용됩니다. 3상을 더 쉽게 이용할 수 있는 유럽이나 아시아에서는 3PFC로 전력 밀도를 높이고 비용을 낮출 수 있습니다. 시스템에 필요한 전력 장치와 스위치 개수가 더 적기 때문입니다. 이렇게 폭넓은 전력 레벨을 해결하려면, 첨단 토폴로지 제어를 처리할 수 있을 뿐 아니라 통합을 구현하는 확장 가능한 컨트롤러 포트폴리오가 적합합니다. 저가형부터 중가형, 고가형 장치까지 있는 C2000 MCU 포트폴리오(3)가 표1 2의 시스템 구현 옵션을 지원합니다.

 

2. 11kW 이상의 OBC 및 고전압-저전압 DC/DC 컨버터 시스템용 실시간 MCU

3. C2000 실시간 MCU 포트폴리오

모듈식 접근 방식(11kW에 도달하기 위해 단상 충전기 3개를 적층하는 방식)에서 각 모듈은 3.6kW용으로 설계되었으며, 단상 AC 입력과 연동하며, 보통 단상 PFC 스테이지와 DC/DC 스테이지가 있습니다(그림 5). 고전압 및 저전압 DC/DC 컨버터는 한쪽은 고전압 배터리, 다른 쪽은 12V에 연결됩니다.

그래서 모듈식 접근 방식이 많이 사용됩니다. 3상을 더 쉽게 이용할 수 있는 유럽이나 아시아에서는 3PFC로 전력 밀도를 높이고 비용을 낮출 수 있습니다. 시스템에 필요한 전력 장치와 스위치 개수가 더 적기 때문입니다. 이렇게 폭넓은 전력 레벨을 해결하려면, 첨단 토폴로지 제어를 처리할 수 있을 뿐 아니라 통합을 구현하는 확장 가능한 컨트롤러 포트폴리오가 적합합니다. 저가형부터 중가형, 고가형 장치까지 있는 C2000 MCU 포트폴리오(3)가 표1 2의 시스템 구현 옵션을 지원합니다.

시스템에 여러 절연 평면이 있는 것은 위상별 단일 컨트롤러의 설계를 고려한 것이며, 개별 컨트롤러(: F280049) 또는 단일 컨트롤러(: F28388)OBC3개 스테이지를 모두 제어합니다. F280025는 필요한 첨단 아날로그 통합을 제공하여 위상 전환 풀 브리지 전력단을 제어하기 때문에 고전압-저전압 DC/DC 컨버터도 제어할 수 있습니다.

전력단이 모듈식이 아닌 경우 단일 컨트롤러를 사용하여 전체 시스템을 제어할 수 있습니다. 그림 6은 이러한 예 하나를 T3PFCOBC용 인터리브 이중 활성 브리지(DAB) 컨터버를 사용하여 보여줍니다. (2에 이 시스템에 대한 MCU 선택지가 나열되어 있음) C2000 실시간 MCU 제품군의 F28388D 장치는 시스템의 파워 일렉트로닉스를 모두 제어할 수 있습니다.

그림 6. F28388D를 사용하여 통제하는 11kW OBC + 고전압-저전압 DC/DC 컨버터

그림 7. F28388D에 의해 제어되는 멀티 포트 체계를 사용한 11kW OBC + 고전압-저전압 DC/DC 컨버터

단일 컨트롤러가 모든 스테이지를 제어하므로 추가적인 최적화가 가능합니다. 그림 7은 필요한 스위치/고전압 FET의 개수를 16% 줄여주는 멀티 포트 컨버터의 사용을 보여줍니다.

마무리

OEM과 주요 공급업체가 효율성과 전력 밀도의 한계를 넘으면서 확장 가능하고 첨단 토폴로지와 통합 옵션을 구현할 수 있는 실시간 컨트롤러에 대한 필요성이 높아지고 있습니다. C2000 MCU에 내장된 장치 기능을 통해 시스템 설계자들은 높은 효율성을 유지하여 시스템 크기와 비용을 줄이는 한편 더 높은 스위칭 주파수를 달성할 수 있습니다.

OEM이 이러한 시스템을 최적화함에 따라 OBC와 고전압-저전압 DC/DC 컨버터를 동일한 인클로저에 수용하는 하나의 박스개념이 동력을 얻고 있습니다. “하나의 박스개념은 OBC DC/DC 스테이지와 고전압-저전압 DC/DC 컨버터 간에 DC/DC 스테이지를 공유하는 멀티 포트 컨버터를 사용함으로써 추가 옵션을 가능하게 합니다.

C2000 실시간 MCU 포트폴리오에는 CLLLC, DAB, 토템 폴 PFC, 비엔나 정류기, TPFC, 위상 전환 풀 브리지(PSFB)와 같은 첨단 토폴로지를 위한 레퍼런스 디자인 및 소프트웨어와 함께 모듈식 솔루션부터 완전 통합 솔루션까지 포함됩니다.

이러한 툴과 리소스를 통해 OBC와 고전압- 저전압 DC/DC 컨버터 같은 EV 애플리케이션용 전력 컨버터의 설계와 개발을 가속화할 수 있습니다.

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