Brent McDonald

전기 자동차(EV)의 전력을 최적화하려면 온보드 충전기(OBC)는 고효율, 경량, 작은 크기여야 합니다. 또한 EV가 가벼워지면 차량 이동에 필요한 전력이 적기 때문에 전체적인 효율성이 높아집니다.

OBC는 적절한 G2V(그리드-차량) 전압 및 전류 배터리 충전 알고리즘을 지원해야 합니다. 따라서 전력망과 EV(그림 1) 사이의 전력 조절 인터페이스 역할을 합니다. 또한 EV가 변동하는 최대 용량을 가질 수 있는 재생 가능 에너지원을 보완할 수 있도록 V2G(차량 대 그리드)의 전력을 제공할 수 있어야 합니다.

EV 내부의 고전압 배터리와 전력망의 인터페이스를 촉진하려면 EMI(전자기 간섭) 필터, PFC(역률 보정) 및 절연 DC/DC 전력계가 필요합니다. 그림 2은 이 아키텍처를 보여줍니다.

본 논의의 범위는 DC/DC 단계로 한정됩니다. 이 글을 쓸 때 DC/DC 단계에서 인기 있는 두 가지 선택은 커패시터-인덕터-인덕터-인덕터-커패시터(CLLLC)와 듀얼 액티브 브리지(DAB) 토폴로지(그림 3 및 4)입니다. 두 옵션 모두 작은 솔루션 크기를 달성할 수 있으며 필요한 G2V 및 V2G 전력 요구 사항을 제공합니다.

OBC 성능을 극대화하고 크기를 최소화합니다

이 두 가지 토폴로지 옵션이 OBC의 크기와 성능에 미치는 영향을 이해하기 위해 범위를 배터리 충전 작동 단계 또는 G2V로 더 제한하여 스위치가 허용할 수 있는 최대 배터리 전력을 제공하여 충전 시간을 최소화하는 방법을 고려해 보겠습니다. 예를 들어 다음과 같은 작동 조건에서 스위치를 예로 들어 보겠습니다.

• P_DISS = 20 W
• ϑ_JA = 3°C/W
• T_A = 65°C

스위치는 방정식 1에 따라 T_J = 125°C입니다.

T_J=P_DISS⋅ϑ_JA+T_A        (1)

이 설계의 스위치는 125°C 이상의 온도를 견딜 수 없으므로 이 조건은 스위치의 성능 저하 없이 OBC가 배터리에 제공할 수 있는 최고 전력 레벨을 나타냅니다. 목표는 스위치의 전력 손실을 최소화하고 배터리를 최대한 빨리 충전하는 것입니다.

스위치에서 전력 손실의 대부분을 유발하는 두 가지 주요 요인은 평균제곱근(RMS) 전류와 스위치의 제로 전압 스위칭(ZVS) 유지 기능입니다.

낮은 커패시턴스와 빠른 턴온 및 턴오프 특성을 감안하여 텍사스 인스트루먼트의 GaN 스위치를 사용하면 컨버터는 실리콘으로 가능한 것보다 더 높은 스위칭 주파수에서 작동할 수 있습니다. 고주파 작동은 무효 구성 요소의 크기에 직접 영향을 미치며 이로 인해 변압기, 인덕터 및 커패시터가 더 작아집니다. DAB 및 CLLLC에 대한 기준 설계를 설정하고, 컨버터의 ZVS 범위를 확장하기 위한 회로 향상 기능을 살펴보겠습니다.

기본 DAB 및 CLLLC 성능 비교

표 1에는 OBC의 기본 요구 사항이 나와 있습니다.

DAB 및 CLLLC에 대한 세부 설계를 만들면 가장 실용적인 탱크 설계를 결정하는 데 도움이 됩니다. 이 작업을 수행하는 절차는 이 논의의 범위를 벗어납니다. 그러나 회로 시뮬레이션은 스위치의 손실을 적절히 추정하고 전체 기능의 준수를 확인하는 데 가장 적합합니다. 저는 다양한 전력 레벨 및 입력 및 출력 전압에서 배치 모드에서 실행되도록 시뮬레이터를 구성했으며, 다양한 DAB 및 CLLLC 인덕터, 커패시터 및 변환 비율 값을 테스트했습니다. 각 시뮬레이션 실행에서 VIN, VOUT, 스위치 전원, RMS 전류 및 스위치 ZVS 조건과 같은 매개 변수에 대한 데이터를 수집했습니다. 표 2에 보면 최적화된 두 가지 토폴로지 설계가 요약되어 있습니다.

그림 5은 대표적인 시뮬레이션 결과를 보여줍니다. 각 토폴로지에는 8개의 스위치가 있지만 그래프는 전력 손실이 가장 높은 스위치만 표시합니다. 각 스위치에는 3개의 플롯이 있습니다. 첫 번째는 스위치의 총 손실입니다. 두 번째는 해당 스위치를 통과하는 RMS 전류입니다. 맨 오른쪽의 세 번째 플롯은 특정 GaN 스위치를 켤 때 발생하는 최악의 드레인-소스 전압을 보여줍니다. 이는 ZVS가 손실된 정도를 보여주는 성능 지수입니다. 이 전압이 높을수록 해당 스위치에서 손실이 커집니다. 따라서 스위치의 RMS 전류와 ZVS 유지 기능은 장치의 전력 손실에서 가장 큰 부분을 차지합니다.

이러한 사실과 데이터를 신중하게 검사한 후 CLLLC는 더 넓은 작동 범위에 걸쳐 ZVS를 유지할 수 있음을 명확히 알 수 있습니다. 따라서 향상된 ZVS는 CLLLC 스위치에서 발생하는 낮은 전력 손실을 책임집니다. 이와 같이 6.6kW 작동 시 DAB는 탁월한 성능을 제공하며 이는 대부분의 범위에서 양호한 ZVS와 감소된 RMS 전류로 인한 것입니다. 이러한 관찰 결과는 RMS 전류에 부정적인 영향을 주지 않고 ZVS를 개선할 수 있는 방법을 모색하는 것을 의미합니다.

정류 인덕터를 통한 ZVS 개선

그림 6 및 그림 7은 그림 3 및 4와 동일한 CLLLC 및 DAB 회로를 보여줍니다. 토폴로지에 추가 인덕터(노란색으로 강조 표시됨)를 추가하여 더 넓은 작동 범위에서 ZVS를 유지하는 데 필요한 추가 전류를 제공합니다. 지금은 이러한 추가 인덕터가 항상 작동하는 경우를 생각해 보겠습니다.

표 3에는 새 인덕터의 값이 나열되고 편의를 위해 다른 탱크 매개 변수가 반복됩니다.

그림 8은 그림 5에서 시뮬레이션을 반복한 후의 결과를 표시합니다.

이 경우 DAB는 전체 작동 조건 범위에서 완전한 ZVS를 달성할 수 있습니다. 이는 GaN 스위치의 V_DS가 켜져 있을 때 항상 0V라는 사실을 명확히 알 수 있습니다. CLLLC는 완전한 ZVS를 달성하지 않지만 상당히 향상된 ZVS를 달성할 수 있습니다. 또한 ZVS 향상은 두 토폴로지의 RMS 전류에 상당한 비용이 발생함을 알 수 있습니다. 전력 손실만 보면 DAB 컨버터가 대부분의 범위에 비해 많은 이점을 제공하는 것으로 나타납니다.

너무 멀리 가기 전에 돌아가서 그림 8와 그림 5를 비교하면 , 일부 조건에서는 정류 인덕터가 실제로 손실을 악화시킵니다. 이 문제는 그림 5 및 그림 8에 표시된 손실의 최소치를 달성할 수 있는 하이브리드 접근 방식을 만들 수 있습니까?

전체 손실을 최소화 : 일거양득

정류 인덕터를 추가하면 컨버터가 ZVS를 유지하는 더 광범위한 작동 조건이 생성됩니다. 이는 컨버터가 ZVS를 유지할 수 없을 때 엄청난 이점이 있습니다. 정류 인덕터의 문제는 ZVS가 손실될 때만 손실을 개선한다는 것입니다. 컨버터가 이미 ZVS에 있는 경우 정류 인덕터는 전류를 증가시켜 스위치에서 더 많은 옴 손실을 초래하여 작동을 방해합니다.

이러한 사고 과정을 통해 더 무거운 부하에서는 정류 인덕터를 끄고 더 가벼운 부하에서는 켜는 하이브리드 접근 방식을 테스트하게 됩니다. 그림 9은 이 접근 방식으로 시뮬레이션을 반복한 후 결과를 보여줍니다. 이를 통해 설계가 각 토폴로지의 낮은 RMS 전류와 고부하에서 자연스러운 ZVS 기능을 활용할 수 있습니다.

저는 스위치에 불필요한 RMS 전류나 불필요한 솔루션 크기를 막기 위해 스위치의 열 엔벨로프 안에 맞는 충분한 정류 인덕턴스와 작동 시간만 추가하는 데 주의를 기울였습니다. DAB 컨버터는 작동 범위에서 전체 ZVS를 달성하지 못합니다. ZVS 조건은 훨씬 개선되지만 앞서 설명한 20W 스위치 목표를 유지하는 데 필요한 만큼만 개선됩니다.

장단점을 더 잘 시각화하기 위해 그림 10에서는 각 사례의 전력 손실을 요약합니다. DAB 컨버터가 스위치의 전력 손실 측면에서 분명한 이점을 가지고 있음을 알 수 있습니다.

이러한 두 컨버터 간의 성능 기능을 더 잘 설명하기 위해 그림 11는 그림 10에 나와 있는 데이터를 재포맷하고 플롯합니다. 그래프는 스위치가 안전하게 20W 이상의 전력을 소모할 수 없다고 가정하고 각 컨버터가 공급할 수 있는 최대 전력을 보여줍니다. 20W는 스위치가 허용할 수 있는 최대 손실을 나타내며 접합부 온도를 125°C 미만으로 유지합니다

CLLLC 또는 DAB 중 어느 것이 더 나을까요?

그림 11의 파란색 선이 빨간색 선보다 높다는 사실에서 알 수 있듯이 DAB 컨버터는 CLLLC보다 전체 범위에서 더 많은 전력을 제공할 수 있습니다. 따라서 DAB가 확실한 승자라고 생각할 수 있습니다. 하지만 최소한의 크기와 중량이 OBC의 중앙 요구 사항이라는 것을 기억하십시오. DAB 컨버터는 추가 인덕터가 2개 필요하지만 CLLLC는 1개만 필요합니다. 제 생각에는 CLLLC가 승리한 것으로 보입니다.

엔지니어링의 대부분의 경우와 마찬가지로 가장 좋은 것은 거의 항상 요구 사항에 대한 절충의 문제입니다. 큰 장점이 무료로 제공되는 것은 매우 드문 일입니다. 제가 보기에 CLLLC는 크기 면에서 확실한 이점이 있기 때문에 DAB보다 우위에 있는 것 같습니다.

참고 자료

1. DE Oliveira, E.F., 및 P. Zacharias, "E-Vehicle 애플리케이션을 위한 양방향 CLLC 공진 컨버터의 포괄적인 모드 분석 및 최적의 설계 방법," 21st European Conference on Power Electronics and Applications (EPE ’19 ECCE Europe), Sept. 3-5, 2019, pp. 1-10.
2. Krismer, F. 및 J.W. Kolar, "차량용 애플리케이션을 위한 효율성 최적화 고전류 듀얼 액티브 브리지 컨버터", IEEE Transactions on Industrial Electronics 59, no. 7 (July 2012): pp. 2745-2760.
3. Texas Instruments. n.d., "질화 갈륨(GaN): 실리콘 이상의 성능," 2020년 10월 19일 액세스함.

관련 문서

• 전기 자동차 충전: 기술과 스마트 엔지니어링으로 전기의 미래를 실현하는 방법
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