배터리 구동 시스템의 성능 개선에 기여하는 고정비율 컨버터 ①

2021-03-09 최태우 기자

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고정비율(Fixed-Ratio) 컨버터는 레귤레이션이 되지 않는 DC-DC 컨버터로, DC-DC 트랜스포머와 같은 기능을 한다.

이 컨버터는 뛰어난 전력밀도와 효율성 및 유연성을 갖추고 있어 고성능 전력분배네트워크(Power Delivery Network, PDN)를 구현할 수 있다. 이러한 특성은 배터리 또는 재생에너지원과 같은 광범위한 출력전압 범위를 갖는 전원을 사용하는 경우에도 해당된다.

널리 사용되는 레귤레이션 DC-DC 컨버터와 달리 고정비율 컨버터는 설계자가 더 높은 시스템 성능을 위한 전력 분배 네트워크를 설계하고 최적화할 수 있도록 해준다.

특히 변환을 분리하는 경우, 절연과 레귤레이션 기능을 통해 상당한 성능 향상이 가능하고 최종 시스템에서 중요한 이점을 얻을 수 있다.

자동차와 LEV(Light Electric Vehicle), 로봇, 무인항공기(UAV) 및 산업용 애플리케이션의 첨단 전력분배네트워크는 대부분의 최신 시스템에서 요구하는 더 높은 전력을 공급하기 위해 100V, 400V, 800V 및 48V~60V의 더 높은 SEVL 분배 레벨의 고전압 전원으로 이행하고 있다.

이러한 시스템 중 대부분은 배터리와 재생에너지 및 연료전지를 전력분배네트워크의 주전원으로 활용하고 있으며, 공통적인 문제는 다양한 출력전압을 가지고 있다는 것이다. 이러한 변동성으로 인해 하나의 기능 블록처럼 설계 및 구현된 절연, 레귤레이션 DC-DC 컨버터가 고전압의 다양한 전원에 가장 일반적으로 사용되고 있다.

하지만 DC-DC 컨버터는 하나의 기능 블록에서 변환 및 레귤레이션, 절연을 수행해서는 안 된다.

실제로 이러한 각 기능은 비용 및 신뢰성과 함께 DC-DC 컨버터의 달성 가능한 전력밀도를 결정하는 주요 요인인 전력손실(발열)을 증가시킴으로써 컨버터의 효율을 저하시키게 된다. 시스템의 전력 레벨이 수십 킬로와트로 증가하면서 전력손실은 전력 컨버터의 크기와 무게를 좌우하는 중요한 문제가 되고 있으며 열 관리 또한 전력변환 스테이지의 크기와 비용을 크게 증가시킬 수 있다.

아키텍처의 대안
대부분의 시스템은 안전상의 이유로 전력분배네트워크의 고전압 영역에서 절연이 필요하지만, 변환 및 레귤레이션 기능을 분리할 수도 있다.

고전압 전력분배네트워크가 고정비율 컨버터에 의해 원하는 SEVL 전압으로 하향 변환(컨버터의 K 계수에 의해 결정)되면, 시스템 부하에 대한 전력 분배를 관리하기 위해 추가로 변환 및 레귤레이션을 수행하는 아키텍처를 결정하는 것이 가장 좋다.

고성능 컴퓨팅 및 전기자동차(EV)와 같은 애플리케이션 내의 전력 레벨이 증가함에 따라 SEVL 분배 전압 레벨로 12V 대신 각각 54V 및 48V를 사용하는 것이 더 일반화되고 있다.

부하 전류가 더 높아짐에 따라 이러한 높은 전압을 사용하면 분배전력손실(I2R)을 상당히 줄이고, 효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라 더 작은 케이블과 와이어, 커넥터 및 PCB 구리 전력 플레인을 사용하여 무게와 비용 측면에서도 이점을 얻을 수 있다.

그러나 이러한 시스템의 프론트-엔드 아키텍처에 고정비율 컨버터를 사용하는 가장 중요한 이유는 다운스트림 중간 컨버터와 PoL(Point-of-Load) 레귤레이터를 이용하여 더 높은 SELV 레벨을 중심으로 광범위한 전압을 관리할 수 있기 때문이다.

ZVS(Zero-Voltage Switching) 토폴로지를 사용하는 벅 및 부스트 레귤레이터는 더 높은 전압을 변환하고 레귤레이션할 때 효율이 높기 때문에 이점을 얻을 수 있고 ▲전기자동차 충전 애플리케이션 ▲하베스팅 로봇 애플리케이션 ▲UAV 애플리케이션 설계에서 성능을 향상시킬 수 있다.

바이코(Vicor)의 비절연 고정비율 버스 컨터버 모듈(NBM)을 이 전력 분배 네트워크에 사용하면, 6kW에서 800V-400V 또는 400V-800V로 변환이 가능하기 때문에 전기자동차 및 충전소가 동일한 전압을 사용하는지 여부와 상관없이 호환이 가능하도록 구현할 수 있다. 이러한 고효율, 고밀도의 확장 가능한 솔루션을 통해 서로 다른 배터리 전압을 가진 전기자동차가 동일한 충전소를 이용할 수 있다.

1. 전기자동차 충전: 비절연 고전압 변환
전기자동차 시장은 갈수록 800V 및 400V 배터리를 주전원으로 사용하고 있으며, 이러한 전압에서 급속충전 기능을 지원해야 하기 때문에 보다 폭넓은 전기자동차 기술을 적용 및 채택할 수 있어야 한다.

충전소는 더 광범위하게 구축되고 있지만, 두 배터리 전압을 모두 고려하지는 않는다. 자동차 제조업체는 호환성 및 고속 충전을 위해 400V 충전소 전압을 차량의 800V 배터리로 상향 변환하거나 800V에서 400V로 하향 변환이 가능한 온보드 충전 시스템을 개발하고 있다. 이러한 온보드 컨버터의 전력 레벨은 50kW~150kW에 이른다.

충전소는 절연 및 레귤레이션된 DC 출력을 가지고 있고, 800V 또는 400V 배터리에는 다운스트림 시스템을 위한 절연을 제공하는 고전압 DC 컨버터가 있어 양방향 800V-400V 컨버터에는 절연 및 레귤레이션이 필요하지 않다.

또한 높은 스위칭 주파수 토폴로지를 사용하면, 효율성이 99.3%에 이르기 때문에 이러한 유형의 컨버터의 크기와 무게를 크게 줄일 수 있다.

글: 정 기 천 / 어카운트 매니저 / 바이코코리아