실리콘 카바이드(SiC) MOSFET을 활용한 급속 DC 충전기 구현 방법

June 10, 2024

전세계적으로 전기 자동차(EV)는 친환경 교통 수단으로 적극 권장되고 있습니다. 그러나 EV로 전환을 고려할 때 가장 큰 걸림돌 중 하나는 차량의 주행 거리에 대한 우려입니다. 대부분의 중소형 EV들은 한 번의 충전으로 몇 번의 시내 주행 정도는 마칠 수 있습니다. 그러나 장거리 여행을 할 경우 중간에 EV를 충전해야 할 텐데, 충전에 걸리는 시간이 아직은 내연 기관차에 연료를 공급하는 것보다 오래 걸릴 것입니다.

업계는 EV 충전 시간을 내연 기관 차량의 연료 보급에 견줄 만큼 향상하기 위해 급속 DC 충전 솔루션 개발에 매진하고 있습니다. 가정용 AC를 사용하는 EV 차량 충전기(OBC)와 달리, 급속 DC 충전기는 OBC를 우회하여 EV의 배터리 충전 회로에 직접 에너지를 공급합니다. 또한 AC 지원 충전기와 달리 이러한 급속 DC 충전기는 EV를 10분만에 80%대까지 충전할 수 있습니다.

실리콘 카바이드(SiC) MOSFET을 활용한 급속 DC 충전기 구현 방법 (출처: Buffaloboy - stock.adobe.com)

EV 용 급속 DC 충전기

현재 급속 DC 충전기는 35kW와 50kW 사이에서 공급하며 최대 800V에서 작동합니다. 가장 높은 전력을 공급하는 충전기는 일반적으로 고속도로 휴게소에 설치되어 있습니다. EV가 이러한 전력을 수용할 수 있는지 여부는 EV 설계와 배터리에 따라 다릅니다. 오늘날 대부분의 EV는 충전 레벨이 300kW 이하로 제한되어 있습니다.

이러한 고전력 및 고전압 애플리케이션에는 엔지니어링 차원의 해결해야 할 많은 과제들이 존재합니다. 이는 안전성과 신뢰성에서부터 유지 보수성, 효율성, 크기 및 비용(운영비와 취득비 모두)까지 다양합니다. 설계 방식은 종전까지 실리콘 IGBT와 MOSFET이 주로 활용되어 왔습니다. 하지만 울프스피드(Wolfspeed)의 실리콘 카바이드(SiC) 같은 와이드 밴드갭 반도체가 도입되면서, 실리콘 카바이드 MOSFET이 파워 스위치로서 급격히 선호되는 추세입니다.

EV 충전기용으로 빠르게 확산하는 SiC MOSFET

급속 DC 충전기의 코어는 다음과 같은 두 가지 블록으로 나눌 수 있습니다.

▶ 입력 AC를 DC 링크 전압으로 변환하는 AC/DC 스테이지

▶ EV 배터리에 DC를 공급하는 DC/DC 컨버터

이 외에 지불 메커니즘, HMI(human-machine interface), 그리고 연결 요소도 있습니다. 이러한 충전기의 전원공급 섹션은 여러 모듈로 구성되며, 각 모듈은 일반적으로 전체 전력에서 15kW ~ 50kW를 차지합니다.

그림 1: EV 급속 DC 충전기용 전력 컨버터의 개략도 (출처 : 울프스피드)

따라서 설계 엔지니어의 중요한 목표는 하나는 최대한 높은 효율과 전력 밀도를 구현하는 것이며, 이를 통해 열 손실을 최소화하고 보다 작고 경량인 모듈을 제공할 수 있습니다.

울프스피드의 SiC MOSFET을 탑재한 AFE

AC/DC 스테이지의 경우, 액티브 프런트 엔드(AFE)는 스위칭 주파수가 20kHz인 6개의 실리콘 IGBT를 사용하여 구현되는 일반적인 토폴로지입니다. 이러한 22kW AFE 스테이지는 97.2%의 상당한 피크 효율을 달성할 것으로 예상됩니다. 그러나 전력 밀도는 약 3.5kW/L이며, 열 설계 요소는 시스템 비용의 20%를 차지합니다.

바로 이 부분이 설계자가 SiC 기반 설계로 전환하는 이유입니다. 실리콘 기반 대체품과 비교할 때, SiC MOSFET의 RDS(ON)은 온도가 상승하더라도 크게 증가하지 않습니다. 애플리케이션의 작동 온도에서 실리콘보다 RDS(ON)이 낮기 때문에 열 손실이 적습니다. 21mΩ 의 SiC MOSFET을 탑재한 울프스피드의 WolfPACK ^™ 파워 모듈에서 울프스피드 1200V CCB021M12FM3 같은 디바이스는 AFE 토폴로지에 이상적입니다.

이러한 SiC MOSFET은 최대 45kHz의 고속 스위칭 속도로 작동하므로 IGBT 기반 AFE보다 더 작은 초크를 사용할 수 있습니다. 뿐만 아니라 발산되는 열도 줄어들기 때문에 방열 비용은 전체 시스템 비용의 10%에 불과합니다.

그림 2: 급속 DC 충전기 설계에 적합한 Wolfspeed WolfPACK™ 파워 모듈을 탑재한 25kW 양방향 AC/DC
AFE (출처 : 울프스피드)

급속 DC 충전기 애플리케이션에 적합한 25kW AFE 레퍼런스 디자인 제품인 ‘CRD25AD12N-FMC’도 사용할 수 있습니다. 사용되는 Wolfspeed WolfPACK™ 3상 구성 모듈 덕분에 이 양방향 설계는 98.5%의 피크 효율과 4.6kW/L 이상의 전력 밀도를 달성합니다.

DC/DC 스테이지, Si MOSFET에서 SiC MOSFET으로

SiC는 DC/DC 스테이지에서도 실리콘을 대체합니다. DC/DC 공진 LLC 컨버터에서 약 100kHz로 작동하는 실리콘(Si) 기반 스위치는 97.5%의 피크 효율과 3.5kW/L의 전력 밀도를 달성할 수 있습니다. 그러나 전력 요건은 통상적으로 인터리빙 설계가 필요하므로, 이로 인해 구성 요소의 수가 늘어나게 되고 설계도 더 복잡해집니다.

Wolfspeed C3M0032120K 같은 디스크리트 소자를 사용하는 SiC MOSFET 설계로 전환하면 스위칭 속도를 최대 250kHz까지 높일 수 있습니다. 이 4 핀 TO-247-4 패키지의 SiC MOSFET에는 켈빈(Kelvin) 핀도 포함되어 있습니다. 하드 스위칭, 고전류, 고주파 토폴로지에서, 이러한 설계는 크로스토크와 스위칭 손실을 줄일 수 있습니다. 그 결과, 3핀 SiC 디바이스를 사용할 때보다 이러한 손실을 최대 1/4로 줄일 수 있습니다. 공진 CLLC 레퍼런스 디자인인 CRD-22DD12N은 22kW 양방향 DC/DC 컨버터 설계에 8개의 디스크리트 SiC MOSFET을 사용합니다. 급속 EV 충전기 설계의 일부로서, 이는 8kW/L 전력 밀도에서 98.5% 이상의 피크 효율을 달성할 수 있습니다.

그림 3: 이 양방향 DC-DC 레퍼런스 디자인은 울프스피드의 C3M0032120K 디스크리트 SiC MOSFET의 뛰어
난 성능을 활용합니다. (출처: 울프스피드)

급속 DC 충전기 애플리케이션을 위한 SiC

향후 10 년 동안 EV의 사용자 기반이 확대됨에 따라 더 빠른 ‘급유’, 즉 더 빠른 충전 속도에 대한 요구도 높아질 것입니다. 울프스피드의 SiC MOSFET 같은 와이드 밴드갭 제품은 실리콘 파워 디바이스 기술을 기반으로 하는 동급 경쟁 제품보다 전환 손실과 열 손실이 더 적고 전력 밀도는 더 높게 해주는 솔루션을 제공합니다.