더 빠르고 안전한 고효율 EV 충전기를 위한 기술 지원

이 기사에서는 고전압 반도체 스위치, 전력 변환기 및 다단계 복합 전력단을 포함하여 EV 충전기를 구동하는 반도체 기술을 살펴봅니다.

전기 자동차(EV)의 수가 증가함에 따라 그 어느 때보다 빠르게 차량을 충전할 수 있는 보다 에너지 효율적인 충전 인프라 시스템을 구축해야 할 필요성이 커지고 있습니다. 새로운 EV는 이전 모델보다 더 넓은 범위와 더 큰 배터리 용량을 갖기 때문에 급속 충전 요구 사항을 지원하는 고속 DC 충전 솔루션의 개발이 필요합니다. 150kW 또는 200kW 충전소에서 EV를 최대 80%까지 충전하는 데 약 30분이 소요되며, 이는 약 250km를 주행하기에 충분한 전력입니다. 결합 충전 시스템 및 Charge de Move 표준에 따른 고속 DC 충전기 스테이션은 최대 400kW의 전력을 공급할 수 있습니다.

오늘은 더 빠르고 안전하며 효율적인 충전기를 구동하는 반도체 기술을 살펴보겠습니다.

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고전압 반도체 스위치(절연 게이트 바이폴라 트랜지스터[IGBT] 및 탄화규소[SiC])는 시스템에서 버스 전압(800V 또는 1,000V)을 상승시킵니다. 시스템 전압이 증가함에 따라 전반적인 안전과 신뢰성을 보장하기 위한 절연 기술이 필요합니다.

전력 변환기가 더 빠른 스위칭 주파수(수백 킬로헤르츠에서 수 메가헤르츠)가 가능해짐에 따라 이러한 고주파수에서 작동하면 회로에 사용되는 자기 부품 및 기타 수동 장치의 크기가 줄어들어 시스템 비용이 절감되고 전반적인 성능이 향상됩니다. 출력 밀도. 따라서 디지털 전력 스테이지를 정확하게 제어하고 보호하기 위해 고대역폭 전류 및 전압 감지가 필요합니다.

효율을 높이려면 다중 레벨 복합 전력 스테이지를 사용해야 하므로 이러한 전력 스테이지를 효율적으로 전환하고 전체 스위칭 손실을 줄이는 동시에 강화된 절연 및 단락 보호 기능을 포함하는 고전압 절연 게이트 드라이버가 필요합니다. .

이러한 기술을 가능하게 하는 요소에 대해 자세히 살펴보겠습니다.

격리 기술

전기차 충전기는 전력망과 직접 인터페이스하기 때문에 안전 규정 준수가 매우 중요합니다. 작업자의 안전을 보장하고, 고전압 전력 변환기 시스템의 손상으로부터 프로세서를 보호하고, 서로 다른 통신 하위 시스템 간의 접지 루프 및 전위차를 방지하려면 절연이 필요합니다. 2차측 제어 아키텍처가 있는 전력 컨트롤러는 전력 단계(절연 변압기를 통해)뿐만 아니라 컨트롤러 구동 회로 및 관련 신호 조절 회로에서도 절연이 필요합니다.

전력 변환기의 스위칭 동작으로 인한 노이즈 간섭은 시스템 성능에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다. 예를 들어, 전력 변환기 스위칭에서 과도 현상이 발생할 때 높은 슬루율은 신호 경로에 과도 전압을 발생시키고 신호 무결성을 유지하기 위해 높은 공통 모드 과도 내성(CMTI)을 가진 아이솔레이터가 필요한 공통 모드 전압 과도 현상을 생성할 수 있습니다. .

EV 충전소의 DC 링크 전압 증가는 또한 운전자의 안전과 신뢰성을 위한 강화된 절연의 중요성을 보여줍니다. 작동 전압에 따라 기능, 기본 및 강화의 세 가지 기본 절연 클래스가 있습니다. 작동 절연이라고도 하는 기능적 절연은 감전으로부터 보호하거나 절연하지 않지만 제품이 작동하는 데 필요합니다. 기본 절연은 충격에 대한 기본 보호를 제공하는 단일 레벨 절연입니다. 강화 절연은 이중 절연과 동일한 감전 보호 기능을 제공하는 단일 절연 시스템입니다.

다양한 반도체 절연 기술이 가능합니다.

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광학 절연은 투명한 비전도성 절연 장벽을 가로질러 LED 광 전달을 사용합니다. 주요 장점은 높은 전기 절연 값과 저렴한 비용입니다. 그러나 광학 절연은 또한 긴 전파 시간, 낮은 노이즈 내성, 높은 대기 전류, 온도 및 수명에 따른 절연의 빠른 열화를 가지고 있습니다. 이러한 제한은 광학 절연 기술을 비용에 민감한 저속 전력 변환기로 제한합니다.

자기 절연은 변압기 코일 설계를 사용한 유도 결합 전송을 사용하며 고주파수에서 높은 절연을 제공합니다. 광학 기술에 비해 전파 시간이 더 빠르지만 전자파 노이즈 문제가 높고 노이즈 내성이 낮으며 온도 및 습기에 따른 절연 열화 문제가 있습니다.

커패시턴스 절연은 변화하는 전기장을 사용하여 커패시턴스를 통해 에너지를 전송합니다. 이 기술의 장점은 고속으로 작동할 수 있는 능력과 상대적으로 작은 패키지입니다. 높은 CMTI 및 낮은 복사 방출과 함께 온도에 대한 최상의 절연 안정성으로 최고의 신뢰성을 제공합니다.

그림 1은 Texas Instruments가 절연 게이트 드라이버, 증폭기 및 디지털 절연기에 사용하는 정전용량 절연을 보여줍니다.

그림 1. 용량 절연

고대역폭 전류 및 전압 감지

EV 충전기 애플리케이션은 모니터링, 보호 및 제어의 세 가지 주요 기능을 위해 전류 및 전압 감지를 사용합니다. EV 충전기에서 그리드의 에너지 변환은 일반적으로 두 단계로 발생합니다. 역률 보정 단계는 계통 전압을 안정적인 DC 링크 전압으로 변환합니다. 그런 다음 DC/DC 단계에서 DC 전압을 EV 배터리 팩에 적합한 전압으로 변환합니다.

그림 2는 전류 감지 위치가 A로 표시되고 전압 감지 위치가 V로 표시된 EV 충전소의 블록 다이어그램입니다.

그림 2. EV 충전소의 블록 다이어그램

전력단에서 SiC 및 질화갈륨(GaN) 스위치의 사용 증가로 인해 작동 주파수(수백 킬로헤르츠에서 수 메가헤르츠)가 증가하면서 효율성이 향상되고 전력 밀도가 높아졌습니다. 이러한 전력 스테이지는 컨버터의 안정적인 작동을 보장하기 위해 제어 루프의 안정적인 작동을 위해 빠른 스위칭 전류를 정확하게 감지해야 합니다. 빠른 응답 시간, 선형 작동 과열, 정확한 전류 및 전압 감지는 고전압 스테이지가 있는 모든 고전력 시스템에 필수적입니다.

전류 센싱을 돕는 반도체 기술은 크게 직접 센싱 방식과 간접 센싱 방식으로 나눌 수 있다. 직접적인 방법에는 절연 증폭기 또는 절연 시그마-델타 변조기를 사용하여 션트 저항 기반 감지가 포함됩니다. 전류 저항 손실을 최소로 유지하기 위해 일반적으로 50mV 또는 250mV인 션트 저항기의 전압 강하는 이 단계에 대한 입력을 형성합니다.

절연 증폭기의 경우 전기 절연을 유지하면서 고전압 레일의 전류를 정밀하게 측정하기 위해 저전압 신호의 확장된 증폭이 외부 컨트롤러로 전송됩니다.

절연 시그마-델타 변조기는 분로에서 전압 강하를 직접 디지털 비트스트림으로 변조하여 마이크로컨트롤러의 시그마-델타 주변 장치와 직접 인터페이스할 때 훨씬 더 높은 대역폭을 가능하게 합니다. 더 높은 신호 대역폭은 빠르고 정확한 전류 측정과 컨버터의 전력 단계를 제어하기 위한 스위칭 신호의 정확한 표현을 보장합니다.

션트 기반 감지는 이 방법이 기본 1회 교정을 사용하는 홀 효과 기반 솔루션에 비해 온도에 대해 더 나은 DC 정확도를 달성할 수 있기 때문에 선호됩니다. 션트 기반 솔루션은 외부 자기장에 대한 감도가 제한적이기 때문에 특히 낮은 전류에서 훨씬 더 정확합니다. 션트 기반 솔루션은 전체 전압 범위, 특히 제로 크로싱 및 자기 코어 포화 영역 근처에서 선형입니다. 이 솔루션은 또한 홀 효과 센서에 비해 최대 5kV의 강화된 절연과 감소된 폼 팩터를 제공합니다.

간접 방법은 전류가 흐르는 도체 주변의 자기장을 감지하는 것입니다. 예를 들어, 홀 효과 센서는 도체를 통해 흐르는 전류를 감지하여 도체 주변에서 생성된 자기장을 간접적으로 측정합니다. 개방 루프 홀 효과 센서는 최대 1MHz의 대역폭으로 사용할 수 있습니다. 폐쇄 루프 센서는 350kHz의 대역폭을 가지며 개방 루프 홀 효과 센서에 비해 더 나은 성능을 제공하지만 비용도 더 많이 듭니다.

우수한 대역폭과 응답 시간을 감안할 때 개방 및 폐쇄 루프 홀 효과 센서는 단락 조건, 특히 고주파수에서 스위칭될 때 션트 솔루션보다 SiC 스위치에 대한 더 나은 보호 기능을 제공합니다. SiC 스위치의 단락 저항 시간은 일반적으로 1-3 µs이며 단락을 방지하기 위해 빠른 감지가 필요합니다. 인라인 션트의 전압 강하는 홀 효과 기반 솔루션과 비교할 때 특히 측정된 전류가 증가할 때 열 손실과 전력 손실을 초래합니다.

격리 게이트 드라이버

고속 게이트 드라이버는 고효율, 높은 전력 밀도, 안정적이고 견고한 전원 모듈을 구축하는 데 중요합니다. 게이트 드라이버는 컨트롤러의 펄스 폭 변조기와 고전력 스위치 간의 인터페이스입니다. 고전력 SiC/IGBT 기반 전력 모듈에는 극도로 빠른 속도로 피크 전류를 소싱 및 싱크할 수 있는 게이트 드라이버가 필요하여 턴온 및 턴오프 전환 시간을 최소화하여 스위칭 손실을 최소화합니다. 게이트 드라이버는 다음을 수행해야 합니다.

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넓은 작동 전압과 다양한 유형의 전원 스위치로 동일한 드라이버를 유연하게 사용할 수 있습니다.

시끄러운 환경과 극한의 온도 조건에서 작동할 수 있도록 견고합니다.

턴온 전파 지연을 최소화하여 전계 효과 트랜지스터(FET)의 더 빠른 전환을 가능하게 하여 바디 다이오드의 전도 시간을 최소화하여 효율성을 향상시킵니다.

최소한의 켜기 지연 차이로 병렬 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)의 구동을 보장하기 위해 지연 매칭이 좋습니다.

고전압 애플리케이션의 경우 강화된 절연 게이트 드라이버는 CMTI(서지), 전위차로 인한 누설 전류 및 시스템 손상을 위협하는 기타 비정상적인 이벤트에 대해 향상된 시스템 탄력성을 제공합니다.

컨트롤러의 배치에 따라 컨트롤러와 드라이버 사이에 절연이 필요할 수 있습니다. 전통적인 절연 방법은 비절연 게이트 드라이버가 있는 별도의 변압기를 사용하는 것입니다. 통합 게이트 드라이버는 최대 50% 적은 면적을 차지하는 이산 변압기 솔루션과 유사하거나 더 나은 전파 지연을 제공합니다. 또한 통합 게이트 드라이버는 개별 솔루션으로 달성할 수 있는 것보다 훨씬 높은 100V/ns 이상의 CMTI를 제공하도록 맞춤화될 수 있습니다. CMTI는 게이트 드라이버의 견고성을 결정하는 핵심 파라미터입니다.

컨버터의 안정적인 작동을 위해서는 게이트 드라이버의 보호 기능이 필요합니다. 향상된 전력 밀도 및 효율성의 이점으로 인해 SiC 및 GaN은 다양한 응용 분야에서 실리콘 IGBT를 대체할 수 있는 잠재적인 대안이 되었습니다. SiC MOSFET에는 더 엄격한 단락 보호 요구 사항이 있습니다. 단락 저항 시간은 약 10μs인 IGBT에 비해 1~3μs입니다. 게이트 드라이버에 통합된 DESAT 핀은 단락을 감지할 때 빠른 응답을 제공하는 데 중요합니다. 통합 저전압 차단 및 활성 Miller 클램프는 하프 브리지 애플리케이션에 사용되는 FET의 잘못된 켜짐을 방지하는 데도 중요합니다.

자연 대류 냉각 기능이 있는 휴대용 DC 고속 충전기(EV 트렁크 뒤쪽에 쉽게 집어 넣어 보관할 수 있음)에 대한 필요성은 최첨단 전력 밀도와 효율성을 갖춘 EV 충전기 설계의 한계를 높이고 있습니다. 게이트 드라이버가 통합된 GaN 기반 스위치는 온 저항, 빠른 스위칭 및 낮은 출력 커패시턴스를 제공하여 전력 밀도가 최대 1/3 개선된 EV 충전기 설계를 지원합니다. EV 충전기에 일반적으로 사용되는 공진 아키텍처는 또한 스위칭 손실을 완화하고 전체 시스템 효율성을 개선하는 제로 전압 및 제로 전류 스위칭의 이점을 제공합니다.

결론

고출력 밀도, 신뢰성 및 견고성은 EV 충전소에 사용되는 전력 변환기에서 점점 더 중요해지고 있습니다. 전력 및 전압 수준이 증가함에 따라 위험한 작동 조건으로부터 사람과 장비를 보호하는 것이 중요합니다.

고전력 밀도 및 효율적인 충전기를 목표로 하는 제조업체는 수백 킬로헤르츠에서 수 메가헤르츠로 이동하는 스위칭 주파수와 함께 IGBT, SiC 및 GaN 기반 전력 변환기를 채택할 것입니다. 고주파 전류 및 전압 센서는 이러한 플랫폼에서 개발하는 데 매우 중요합니다.

스마트 게이트 드라이버 기술은 필요한 고전압 레벨, 빠른 스위칭 속도 및 빠른 보호의 필요성을 가능하게 합니다. 지난 10년 동안 반도체 기술이 비약적으로 발전한 점을 감안할 때, 짧은 휴식 시간에 EV를 완전한 범위로 충전하는 것이 곧 가능할 것입니다.

이 기사는 Texas Instruments의 시스템 엔지니어인 Harish Ramakrishnan이 공동 저술했습니다.

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