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배터리 구동 시스템의 성능을 향상시키는 고정비율 컨버터

출처 : IT BIZ News

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 전력 분배 네트워크(PDN: Power Delivery Network)를 구현할 수 있다. 이러한 특성은 배터리 또는 재생 에너지원과 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, UAV 및 산업용 애플리케이션의 첨단 전력 분배 네트워크는 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 전력 분배 네트워크의 주전원으로 활용하고 있으며, 공통적인 문제는 다양한 출력 전압을 가지고 있다는 것이다. 이러한 변동성으로 인해 하나의 기능 블록처럼 설계 및 구현된 절연, 레귤레이션 DC-DC 컨버터가 고전압의 다양한 전원에 가장 일반적으로 사용되고 있다. 

그러나 DC-DC 컨버터는 하나의 기능 블록에서 변환 및 레귤레이션, 절연을 수행해서는 안 된다. 실제로 이러한 각 기능들은 비용 및 신뢰성과 함께 DC-DC 컨버터의 달성 가능한 전력밀도를 결정하는 주요 요인인 전력손실(열로 나타남)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. 

아키텍처 대안

대부분의 시스템은 안전상의 이유로 전력 분배 네트워크의 고전압 영역에서 절연이 필요하지만, 변환 및 레귤레이션 기능을 분리할 수도 있다. 고전압 전력 분배 네트워크가 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 전기자동차와 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 분배 전력 손실(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 있다. 

3가지 기능을 분리하여 성능을 크게 향상시킬 수 있는 애플리케이션을 살펴보자: 

a) 전기자동차 충전 애플리케이션

b) 하베스팅 로봇 애플리케이션

c) UAV 애플리케이션

전기자동차 충전: 비절연 고전압 변환

 

그림 1: 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. 

전기자동차 시장은 갈수록 800V 및 400V 배터리를 주전원으로 사용하고 있으며, 이러한 전압에서 급속 충전 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 있기 때문에 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.

하베스팅 로봇: 절연 및 비절연 변환

 

그림 2: 바이코(Vicor)의 고정비율 버스 컨버터 모듈(BCM®)을 하베스팅 로봇(Harvesting Robot) 전력 분배 네트워크에 사용하면, 저전압 버스와 관련된 손실을 최소화하는 48V 버스를 생성할 수 있어 배터리 전력을 보존하면서도 광범위한 부하를 처리할 수 있다. 그런 다음 바이코의 NBM™, PRM™, ZVS 벅 및 ZVS 벅-부스트 레귤레이터와 같은 고정비율 또는 레귤레이션 PoL(Point-of-Load) 컨버터를 통해 전력을 효율적으로 부하에 제공할 수 있다.

하베스팅 로봇은 대규모 장비이기 때문에 일반적으로 800V 배터리로 공급되는 최대 20kW의 파워가 필요할 수 있다. 충전 시까지 가동시간을 더 연장할 수 있는 전력 분배 네트워크의 효율성은 이러한 애플리케이션에서 매우 중요하다. 절연 버스 컨버터 또는 고정비율 컨버터는 48V와 같은 SELV 레벨로 고전압을 하향 변환하여 케이블 및 커넥터를 위한 최고의 분배 효율을 제공한다. 버스 컨버터를 쉽게 병렬로 연결하여 프론트-엔드 전력변환 스테이지를 확장할 수 있으며, 이를 통해 상당한 설계 유연성을 얻을 수 있다. 또한 고성능 ZVS 벅 부스트 및 벅 레귤레이터를 사용하여 다양한 시스템 부하에 대한 직접 48V 변환 및 레귤레이션을 수행할 수 있다. 시스템의 CPU 마더보드와 같은 12V 부하의 경우, 48V-12V 비절연 고정비율 컨버터를 사용하면 가장 높은 효율과 가장 높은 전력밀도를 구현할 수 있다. 그런 다음 다상 12V 벅 레귤레이터 스테이지에서 PoL에 대한 레귤레이션을 수행한다. 

유선 UAV: 고전압으로 SELV 부스트 변환 및 저전압으로 벅 변환

 

그림 3: 이 전력 분배 네트워크에 바이코(Vicor)의 고정비율 버스 컨버터 모듈(BCM®)을 사용하면, 유선 케이블의 전압을 최대 800V까지 조정하여 유선 케이블의 직경과 무게를 획기적으로 줄일 수 있다. 다른 전력 분배 네트워크와 마찬가지로, 48V 버스는 지상과 공중에서 손실을 최소화하기 위해 로컬에서만 사용된다. 또한 이 BCM은 단상 또는 3상 AC 전원에서 48V로 정류된 출력을 절연 및 스텝다운 하는데도 사용된다.

유선 드론은 보안 및 소방, 구조 팀 등이 고정된 위치에서 관찰 및 통신 또는 조명 용도를 위해 사용한다. 양방향 고정비율 컨버터는 SELV 배터리 전원을 사용할 수 있는 매우 효율적이고 유연한 설계가 가능하며, 유선 케이블의 크기와 무게를 최소화하여 가동시간과 페이로드를 극대화할 수 있다. 이러한 유형의 애플리케이션에서 K계수 1:8의 버스 컨버터(리버스로 사용됨)는 48V를 384V로 부스트하여 케이블을 따라 전력을 전달하며, 케이블 두께는 물론, 손실(I2R)을 줄일 수 있다. 또한 이 동일한 K 1:8 컨버터는 UAV에 탑재된 온보드 전자장치와 UAV 로터 시스템을 위한 384V-48V 하향 변환에도 사용할 수 있다. 이러한 전력 분배 네트워크는 고정비율 컨버터의 효율 및 전력밀도(크기 및 무게) 이점을 극대화할 수 있으며, 페이로드를 위한 여유공간을 확보함으로써 드론에 부가적인 이점을 제공한다. 향후 애플리케이션에서 K 1:16을 사용하여 48V를 800V로 부스트하면, 더 높은 고도에서 동작할 수 있도록 케이블의 길이를 늘리면서도, 케이블의 두께와 무게는 더욱 줄일 수 있다.

전력 분배 네트워크의 효율 및 전력 시스템 밀도는 자동차, 로봇, UAV 시장에서 중요한 기능으로 언급되는 가동시간과 충전시간, 주행거리 및 페이로드 용량 등과 같은 성능을 달성하는데 매우 중요하다. 전력 분배 네트워크의 성능은 배터리와 같은 넓은 범위의 전원 소스를 사용하는 경우에도 고정비율 컨버터를 사용해 향상될 수 있다는 점이 명확하게 입증되었다. 이러한 애플리케이션은 물론, 다른 애플리케이션에서도 절연 장벽 및 전압 레귤레이션 기능을 업스트림 또는 다운스트림에서 수행할 수 있으며, 네트워크 상의 고전압 분배를 통해 시스템 PCB의 구리 전력 플레인과 커넥터 및 케이블의 크기를 줄일 수 있다. 이 글에서 언급된 전력 분배 네트워크는 고성능 ZVS 레귤레이터와 함께 고정비율 컨버터를 사용하여 고객의 제품을 혁신하고, 고성능 솔루션과 경쟁우위를 지원할 수 있는 사례를 보여준다. 

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