[논문]하이브리드 및 전기자동차 등 환경차 전장 부하용 LDC 시스템의 기술 동향

윤한신

문제 정의

또한 추가되는 전장 부품과 증가하는 전력 변환 장치의 용량에도 높은 가격 경쟁력을 가지기 위해 지속적으로 가격 절감이 요구되고 있는 실정이다. 본 기술동향에서는 이와 같이 강화되고 있는 LDC의 요구사항을 충족시키기 위한 LDC 토폴로지 및 관련 기술에 대해 살펴보았다. 이들 제안된 기술들을 검토 및 확보하고, 이를 개선하여 높은 상품성을 가진 차량용 LDC 개발할 경우 향후 세계 환경차 전력 변환 장치 시장을 선도하는데 매우 중요한 역할을 수행할 것이라 판단된다 輝
LDC는 입력단과 출력단이 모두 배터리와 연결되어 있기 때문에 입력 200-400V, 출력 7〜15V로 입출력의 전압의 변동 폭이 크며 , 앞서 언급하였듯이 증가하고 있는 전장 부품들로 인해 대용량 LDC가 요구되고 있다. 효율 및 전력밀도 등 강화되고 있는 LDC의 요구조건을 만족시키기 위해 지속적으로 연구 개발이 진행되어 왔으며, 본 기술 동향에서는 현재까지의 LDC의 연구 개발 현황과 더불어 추후 연구 방향에 대해 다루고자 한다.

제안 방법

있다. ACF 컨버터는 1번의 스위 칭으로 2번의 파워 링, 적은 출력 필터 , 넓은 전압전달비 , 1차측 스위치의 소프트 스위칭 등 기존의 PSFB 컨버터가 가지는 장점을 그대로 가지고 있을 뿐만이 아니라, 1차측의 스위 치 의 순환전류를 저감 가능하고, 1차측 스위치를 2개만 사용하여 기존 PSFB 컨버터의 단점 이었던 중부하 이상 영역에서 도통손실을 크게 저감시켜 그림 5와 같이 중 부하 이상 효율을 크게 증가시켰다. 그 결과 자율주행 둥으로 인해 중부하 이상 영역의 효율이 중요한 현 세대 및 차세대 LDC에는 ACF 컨버터가 기존 PSFB 대비 효율 측면에서 더 적합하다찌.
기존 다양한 연구 중, 그림 7에서 보이는 것과 같은 LDC 고주파 구동과 Planar 변압기를 적용하는 연구가 활발히 진행되었다'긔. 해당 연구는 PSFB 컨버터 기반으로 1차측 스위치에 GaN 소자를 적용하여 스위칭 주파수를 700kHz까지 증가 시키고 2차측에 PCB 패턴을 간결화 하기 위한 cun-ent- doubler 정류기와 planar 변압기 및 인덕터를 적용하여 초고 전력 밀도의 LDC를 개발하였다. 하지만 개발된 고주파수 PSFB 컨버터는 고주파 구동을 위한 자성체 재질 변경으로 인해 스위칭 주파수가 약 7개 가량 증가 하였어도, 변압기의 부피는 오직 50%만 절감되어 주파수 상승치 대비 효과가 미비하다.

성능/효과

ACF 컨버터는 1번의 스위 칭으로 2번의 파워 링, 적은 출력 필터 , 넓은 전압전달비 , 1차측 스위치의 소프트 스위칭 등 기존의 PSFB 컨버터가 가지는 장점을 그대로 가지고 있을 뿐만이 아니라, 1차측의 스위 치 의 순환전류를 저감 가능하고, 1차측 스위치를 2개만 사용하여 기존 PSFB 컨버터의 단점 이었던 중부하 이상 영역에서 도통손실을 크게 저감시켜 그림 5와 같이 중 부하 이상 효율을 크게 증가시켰다. 그 결과 자율주행 둥으로 인해 중부하 이상 영역의 효율이 중요한 현 세대 및 차세대 LDC에는 ACF 컨버터가 기존 PSFB 대비 효율 측면에서 더 적합하다찌. 이 러한 ACF 컨버터는 구조상 1차 측 스위 치의 전압 스트레스가 증가하여 높은 가격 의 스위 치를 사용하는 단점을 가지고 있었으나, 기존 Si-MOSFET 대비 전압 내압이 증가하고 스위칭 특성이 향상된 SiC 스위치가 대중화되고 가격 하락함에 따라 기존 PSFB 컨버터와 동등한 가격으로 ACF 양산이 가능해 졌다.
더욱이 GaN 소자를 사용하였음에도 높은 스위 칭 주파수에 의해 큰 스위치 턴오프 손실이 발생하였다. 더욱이 PCB 권선의 높은 전류밀도와 c니rrent-doubler 정류단의 복잡한 구조로 인해 도통 손실이 추가로 발생함에 따라 초고전력밀도를 달성하였음에도 불구하고 효율은 그림 8과 같이 기존 LDC 대비 하락하였다. 해당 연구를 통해 고주파 LDC의 가능성을 확인하였기 때문에 현재는 고주파 구동으로 저하된 효율을 개선하기 위한 토폴로지 변경 및 개선 등의 연구들이 학게와 산업게에서 수행되고 있다.
그 결과 자율주행 둥으로 인해 중부하 이상 영역의 효율이 중요한 현 세대 및 차세대 LDC에는 ACF 컨버터가 기존 PSFB 대비 효율 측면에서 더 적합하다찌. 이 러한 ACF 컨버터는 구조상 1차 측 스위 치의 전압 스트레스가 증가하여 높은 가격 의 스위 치를 사용하는 단점을 가지고 있었으나, 기존 Si-MOSFET 대비 전압 내압이 증가하고 스위칭 특성이 향상된 SiC 스위치가 대중화되고 가격 하락함에 따라 기존 PSFB 컨버터와 동등한 가격으로 ACF 양산이 가능해 졌다. 그 결과 액티브 클램프 포워드 컨버터 토폴로지가 적용된 LDC는 2019년 출시된 소나타하이브리드에 처음으로 탑재, PHEV, EV 등 전 차종에 탑재될 예정이다
전력밀도 향상을 위해 그림 6과 같은 기존의 양산 LDC를 분석하여 보면, 1-2차측 스위 치와 다이오드 외 에 LDC의 변압기 및 출력 인덕터와 같은 자성체와 이들 자성체를 지지하기 위한 구조물들이 큰 부피를 차지하고 있는 것을 확인할 수 있다. 또한 절연과 권선의 진동을 방지하기 위한 복잡한 구조의 권선과 보빈은 넓은 면적을 점유하고 있을 뿐만 아니라 자성체 가격을 상승시키고 있다.
2);">그림 9와 같은 통합 자성 체 토폴로지가 연구 개발되었다图. 해당 통합 자성체 ACFF 컨버터의 경우, 비록 자성체 자체의 유효단면적 (Effective Area, Ae)은 기존과 유사하지만, 자성체와 권선의 복잡한 구조를 간결화 하고, 자성체 고정을 위한 구조물은 절감할 수 있을 뿐만 아니라 2차측 정류단의 구조를 최적화하여, 부피를 절감하고 가격 경쟁력을 향상시킬 수 있었다. 더욱이 개발된 컨버터는 기존 양산된 ACF 컨버터 와 동작이 유사하고 동일한 효율을 보인다는 장점을 가지고 있다.

후속연구

LDC 자체 의 전력밀도를 향상시키는 연구 외 에도, LDC와 차량에 적용되는 타 전력변환장치, OBC 및 SDC (solar-ceU clc-dc converter)를 통합하여 전력변환장치 전체의 부피를 절감하는 연구도 동시에 진행 중에 있다. 특히 그림 10과 같이 OBC 의 DC/DC단의 1차측 스위치와 LDC의 1차측 스위치를 공유하는 토폴로지에 대한 연구가 진행되었으며, 또 충전 중에만 OBC가 동작한다는 특성을 고려하여 충전 중일 경우 OBC를 통해 충전하고 운행 중인 경우 OBC의 DC/DC단을 LDC로 활용하는 그림 11과 같은 회로 및 양방향 벅컨버터를 추가하여 LDC와 OBC를 통합하는 등 다양한 연구가 수행 되 었다나佝.
이 러한 ACF 컨버터는 구조상 1차 측 스위 치의 전압 스트레스가 증가하여 높은 가격 의 스위 치를 사용하는 단점을 가지고 있었으나, 기존 Si-MOSFET 대비 전압 내압이 증가하고 스위칭 특성이 향상된 SiC 스위치가 대중화되고 가격 하락함에 따라 기존 PSFB 컨버터와 동등한 가격으로 ACF 양산이 가능해 졌다. 그 결과 액티브 클램프 포워드 컨버터 토폴로지가 적용된 LDC는 2019년 출시된 소나타하이브리드에 처음으로 탑재, PHEV, EV 등 전 차종에 탑재될 예정이다

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