[PE 테크] 전기차 충전의 ‘밀도 혁명’… 인피니언, 11kW 양방향 OBC 솔루션 분석

인피니언, 11kW급 고효율·고밀도 양방향 AC-DC 컨버터 레퍼런스 디자인(REF_11KW_PFC_SIC_QD) 공개

전기차(EV) 배터리 시스템이 800V로 전환되고 V2G(Vehicle-to-Grid) 기술이 부상하면서, 온보드 충전기(OBC)는 더 높은 효율과 양방향성, 그리고 더 작은 부피를 동시에 요구받고 있다. 이러한 시장의 요구에 맞춰 인피니언 테크놀로지스는 11kW급 양방향 AC-DC 컨버터 레퍼런스 디자인 ‘REF_11KW_PFC_SIC_QD’를 통해 차세대 OBC 설계의 해법을 제시한다.

이 솔루션은 SiC(탄화규소)와 Si(실리콘) 전력 반도체의 장점을 결합하고, 혁신적인 패키징과 제어 알고리즘을 통해 99% 이상의 효율과 11.3kW/L라는 놀라운 전력 밀도를 달성했다.

800V 시스템을 위한 최적의 토폴로지: 3L-ANPC

이 레퍼런스 디자인의 핵심은 3레벨 ANPC(Active Neutral Point Clamped) 토폴로지 채택에 있다. 기존의 2레벨 방식이 800V DC 버스를 감당하기 위해 1200V급 소자를 사용해야 했던 것과 달리, 3레벨 ANPC는 전압 스트레스를 절반으로 분산시킬 수 있다. 덕분에 성능 지수(FOM)가 더 뛰어난 600V~750V급 전력 반도체를 사용할 수 있게 되어 스위칭 손실을 줄이고 효율을 높였다.

특히 인피니언은 이 토폴로지에서 ‘하이브리드 스위치’ 전략을 구사했다. 고주파(65kHz)로 스위칭하는 소자에는 CoolSiC™ Gen 2 MOSFET(750V/650V)을 적용해 스위칭 손실을 최소화했고, 라인 주파수(50/60Hz)로 동작하는 소자에는 CoolMOS™ SJ MOSFET(600V)을 사용하여 도통 손실을 줄이면서 비용 효율성을 확보했다.

Figure 7. 3L-ANPC의 단상 레그(Phase-leg) 회로도. T1~T6 스위치 구성을 보여주며, 텍스트에서 설명한 CoolMOS와 CoolSiC가 하이브리드로 어떻게 배치되는지(예: T2, T3는 고속 스위칭용 SiC)를 기술적으로 보충해 준다.

열 관리와 밀도의 핵심: QDPAK과 상단 냉각

전력 밀도를 높이는 데 있어 가장 큰 걸림돌은 ‘열’이다. 이 설계는 인피니언의 QDPAK 패키지를 적용해 이 문제를 해결했다. QDPAK은 소자의 상단면으로 열을 방출하는 상단 냉각(Top-Side Cooling) 방식을 지원한다.

Figure 29. — Figure 29(a). 스위칭 셀의 단면도. PCB, MOSFET, 그리고 상단 히트싱크(Heatsink)와 갭 패드(Gap pad)가 어떻게 적층되어 열을 방출하는지 직관적으로 보여주어 ‘상단 냉각’ 기술을 설명하는 데 필수적이다.

이를 통해 PCB 하단이 아닌 상단에 히트싱크를 부착할 수 있어 열 저항을 낮출 뿐만 아니라, PCB 설계를 최적화하여 스위칭 루프 인덕턴스를 약 7nH 수준으로 억제했다. 이는 고속 스위칭 시 발생하는 전압 오버슈트를 줄여 시스템의 안정성을 높이는 데 결정적인 역할을 한다.

단상 충전의 딜레마, 소프트웨어로 풀다: 전력 맥동 버퍼

OBC는 3상 입력뿐만 아니라 가정용 1상 입력도 지원해야 한다. 하지만 1상 동작 시에는 필연적으로 전력 맥동(Power Pulsation)에 의한 저주파(50/60Hz) 전압 리플이 발생하며, 이를 잡기 위해 통상적으로 부피가 큰 전해 커패시터를 추가해야 했다. 이는 전력 밀도를 저해하는 주요 요인이다.

인피니언은 하드웨어 추가 없이 제어 알고리즘만으로 이 문제를 해결했다. 1상 운전 시 사용되지 않는 페이즈 C(Phase C) 레그를 ‘전력 맥동 버퍼’로 활용한 것이다.

Figure 16. 전력 맥동 버퍼 기능 적용 전후의 시뮬레이션 파형. 기능을 켰을 때 DC 전압 리플(그래프 (b))이 획기적으로 줄어드는 모습을 보여주어, 해당 기술의 효과를 극적으로 증명한다.

동작 원리: 페이즈 C가 능동적으로 전류를 제어하여 DC 링크 커패시터에 흐르는 리플 전류를 상쇄시킨다.
효과: 시뮬레이션 및 테스트 결과, 이 기능을 활성화하면 DC 전압 리플이 60V(peak-to-peak)에서 16V 수준으로 획기적으로 감소했다.

결과적으로 설계자는 부피가 큰 추가 커패시터 없이도 안정적인 800V DC 출력을 유지할 수 있게 되어 시스템의 소형화가 가능해졌다.

검증된 성능과 확장성

실제 테스트 결과, 3상 구동 시(230V 입력) PFC 모드에서 최대 99.15%, 인버터 모드(V2G)에서 최대 99.12%의 피크 효율을 기록했다. 1상 구동 시에도 약 98.95%의 높은 효율을 유지한다.

Figure 2. 3상 구동 시 AC-DC(PFC) 및 DC-AC(인버터) 효율 그래프. 부하(Output Power)에 따른 효율 변화를 보여주며, 기사에서 언급한 피크 효율 수치(99.15%)를 데이터로 뒷받침한다.

이번 레퍼런스 디자인(REF_11KW_PFC_SIC_QD)은 단순히 고효율 소자를 사용하는 것을 넘어, 토폴로지의 이점과 패키징 기술, 그리고 창의적인 제어 알고리즘이 결합되었을 때 전기차 충전 시스템이 얼마나 진보할 수 있는지를 보여주는 사례다. EV 충전기 및 에너지 저장 시스템(ESS) 개발 엔지니어들에게 이 솔루션은 고밀도 설계의 중요한 이정표가 될 것이다.

[에디터 노트]
본 기사는 “11 kW high-efficiency high-density bidirectional three-/single-phase AC-DC PFC/inverter (PDF 다운로드)” 레퍼런스 디자인을 기준으로 작성되었습니다.

[솔루션 개요]

제어와 전력의 완벽한 조화: 시스템 블록 다이어그램

단순히 좋은 소자를 쓰는 것만으로는 부족하다. 고성능 OBC는 정밀한 ‘제어’와 강력한 ‘구동’이 유기적으로 연결되어야 완성된다. 인피니언의 REF_11KW_PFC_SIC_QD는 MCU를 두뇌로 하여 센싱, 구동, 전력 변환이 통합된 유기적인 시스템이다.

Figure 20. 전체 시스템의 연결 구조를 보여주는 블록 다이어그램. 중앙의 MCU(XMC4400)가 전류 센서와 온도 센서로부터 데이터를 수집하고, 게이트 드라이버를 통해 전력 반도체를 제어하는 흐름을 한눈에 볼 수 있다.

1. 두뇌 (Digital Control): XMC4400 시스템의 핵심 제어는 인피니언의 32비트 마이크로컨트롤러 XMC4400이 담당한다. 이 MCU는 복잡한 소프트-스타트, PFC 제어, 전압 조정, 그리고 양방향 전력 흐름 제어를 모두 디지털로 처리하며, 과전압(OVP)·과전류(OCP) 보호 기능까지 통합 관리한다.

2. 감각 (Sensing): XENSIV™ TLE4971 정확한 제어는 정확한 측정에서 시작된다. 코어리스(Coreless) 전류 센서인 TLE4971이 그리드 측 전류를 정밀하게 측정하여 MCU로 전달한다. 이 센서는 온도 변화에도 안정적이며, 자성 코어가 없어 스트레이 필드(Stray Field)의 간섭을 최소화하는 데 유리하다.

3. 근육 (Driving): EiceDRIVER™ 2EDB9259Y MCU의 명령을 실제 전력 스위칭 동작으로 변환하는 역할은 듀얼 채널 절연 게이트 드라이버인 2EDB9259Y가 맡는다. 이 드라이버는 고속 스위칭을 하는 CoolSiC™와 라인 주파수로 동작하는 CoolMOS™를 모두 안정적으로 구동한다.

4. 심장 (Auxiliary Power): CoolSET™ & EiceDRIVER™ 이 모든 제어 회로가 작동하려면 독립적인 전원이 필요하다. CoolSET™ (ICE2QR2280G)과 EiceDRIVER™ (2EDN7533R)로 구성된 보조 전원 공급 장치는 DC 버스(800V)에서 직접 전력을 가져와 11개의 독립적인 18V 바이어스 전원을 생성, 모든 전력 스위치를 구동한다.