[기고] 25㎾ 실리콘 카바이드 기반 고속 직류 충전기 개발 3부: PFC 스테이지 시뮬레이션 ①

[테크월드뉴스=이재민 기자] 전력 시뮬레이션은 하드웨어 설계와 구축 전에 가정을 검증하고 구성 요소 설계와 선택, PCB 레이아웃, 테스트 절차에서 생기는 이슈 등을 밝혀내는 데 도움을 준다. 예를 들면 시뮬레이션을 통해 작동 전압과 전류, 스위칭 주파수, 전력 손실, 냉각 요건, 제어 알고리즘에 대한 다양한 상황을 테스트할 수 있게 한다. 이런 검증과 함께 시뮬레이션 결과는 수동부품 선택처럼 개발 프로세스의 또 다른 중요 단계를 다룬다. 견고한 시뮬레이션은 개발 주기에서 디버깅과 하드웨어 반복을 줄여 제품 개발을 가속화한다.

시뮬레이션의 목표와 목적

시뮬레이션을 성공하려면 명확한 목표와 목적을 사전에 설정하는 것이 중요하다. 목적은 대답해야 하는 질문에 따라 결정된다. 목표는 필수 시뮬레이션 모델의 세부사항에 영향을 준다. 이 프로젝트에서 PFC(Power Factor Correction, 전력 효율 교정)에 대한 전력 시뮬레이션은 엔지니어링팀이 다음과 같은 요건을 다루는 데 도움이 됐다.

·하드웨어 설계 전 PFC 스테이지 기능 확인

·사양에 지정한 모든 작동 지점에 대해 DC 출력 전압과 전류, 전력이 공급되는지 확인. 다른 모든 시스템 요구사항의 충족 필요

·지정한 스위칭 주파수(70㎑)에서 효율 목표가 충족됐는지 확인

·전력 손실 예측

·프로토타입의 시작점으로서 게이트 드라이브 회로의 게이트 저항기 값 설정

·인덕터 제조업체에 전달한 PFC용 초크의 요구사항과 특성 확인

·제일 중요한 리플 전류를 비롯해 ESR과 정전용량, 전압 정격에 기초해 DC 링크 커패시터 선택

전력 시뮬레이션 모델과 소프트웨어

시뮬레이션 모델은 모든 과정에서 중추적인 역할을 한다. 해당 시뮬레이션 모델은 회로 구성 부품의 동작을 재현하는 특성과 기능을 포함한다. 스위치, 다이오드, 게이트 드라이버와 패시브 소자 같은 모델에 포함된 부품들을 자세하게 모델링할 수 있다. 그러나 모델링하기 복잡하고 번거로운 부품들과 동작도 있다. 또 복잡한 시뮬레이션 모델은 실행 시간이 다소 오래 걸린다. 그래서 비교적 간단한 시뮬레이션을 통해 시스템의 다양한 동작을 확인하고 여러 질문에 답할 수 있도록 해야 한다.

지금까지 충전기 개발 접근 방식은 시뮬레이션과 설계 프로세스를 빠르게 하기 위해 시뮬레이션 모델을 단순화하는 것이었다. 결과를 평가할 때 시뮬레이션 모델의 정확성을 감안하는 것이 중요하다. 이로써 기능과 전기적 특성에 영향을 미치지 않는 부품의 시뮬레이션 모델은 단순화하고, 중요한 부품은 더 정밀하게 모델링한다.

전력 전자제품의 전력 시뮬레이션은 시스템 전력관리와 전력변환에 영향을 주는 주요 구성부품의 SPICE(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis, 전자 회로 시뮬레이션) 모델을 기반으로 진행한다. 이 프로젝트에서는 향상된 SPICE를 제공하는 혼합 모드 회로 시뮬레이터인 시메트릭스(Simetrix)를 사용한다.

입력 매개변수

시뮬레이션의 마지막 필수 요소는 설계에 자유도를 제공하는 특정 구성 요소와 매개변수에 대한 평가다. 시뮬레이션은 애플리케이션 요구사항을 충족하는 매개변수의 최적 조합을 결정한다. 이번 설계에서 시뮬레이션을 위한 입력으로 가장 중요한 요소는 다음과 같다.

·PFC 인덕터: 초기에는 애플리케이션 요구사항과 입력 전압, 애플리케이션 전력과 전류에 기초해 구성 부품의 값을 추정했다. 이를 위해 적당한 크기의 시중에서 구할 수 있는 코어 재료를 사용할 필요가 있다. 연구팀은 인덕턴스가 수십 마이크로헨리(uH) 범위에 있을 것이라고 계산했다.

·출력 커패시터: 시중에서 구할 수 있는 커패시터 중에서 전류와 전압 리플 요건에 기초해 부품을 필터링했다. 높은 전압(최대 1000V)을 사용하기 때문에 커패시터를 직렬로 연결해야 하는 전해 커패시터는 제외했다.

·스위칭 주파수: 값은 주어진 인덕턴스 값과 그리드 요구 사항을 반영해 사전에 선택됐다. 70㎑는 효율과 EMI 규격 만족 모두를 위해 적당한 절충점이었다.

시뮬레이션을 통한 검증을 위해 다양한 방법을 활용해 여러 매개변수에 대한 초기 값을 설정했다. 초기 값을 확인하기 위해 사용한 방법은 표준 인덕터와 커패시터 설계를 위한 계산, 기존 설계와 과학 문헌의 벤치마킹, 기존 설계 경험 활용 등이었다. 연구팀은 이런 방법을 사용해 매개변수에 대한 우수한 추측을 도출했다.

시뮬레이션 설정

[그림 1]은 전력 모델(상단)과 PWM 모듈레이터 모델(하단)을 포함하는 시메트릭스의 시뮬레이션 모델을 보여준다. PWM 모듈레이터는 일반적인 공간 벡터 PWM 알고리즘에 의존한다. 이 알고리즘은 제어 루프를 단순화하고 PI 기반 레귤레이터를 다룬다. 측정한 주전원 위상 전압은 모델을 단순하게 하기 위해 컨트롤러에 대한 입력전압으로 사용된다. 실제 하드웨어 시스템에서는 순간적인 주전원 기준 전압을 측정하기 위해 위상동기루프(phase-lock-loop)를 디지털 도메인에서 사용한다.

주전원 모델과 주전원 네트워크 모델

전원 모델은 3가지 전압 소스로 구성되며 각각 120°씩 쉬프트된 50-㎐/60-㎐ 사인파를 생성한다. 초기 위상은 수정할 수 있다. 전원 모델은 대표적으로 돌입전류(inrush current) 보호 회로 검증에 유용하다. 이 모델의 시뮬레이션 작업 대부분은 단순화를 위해 저항성 부하를 가지고 실행했다.

차동 전도 노이즈의 기본 평가와 입력 필터 검증이 시뮬레이션 일부로서 요구되면, 의사 전원 회로망(AMN)과 라인 임피던스 안정화 네트워크(LISN)를 주전원과 필터 사이에 삽입할 수 있다. 그리드 모델에서 제어에 영향을 미치는 AC 그리드 임피던스를 포함하면 시뮬레이션이 향상될 수 있다.

입력 필터

입력 필터는 컨버터의 첫 번째 요소다. 시뮬레이션은 입력 필터의 설계나 튜닝이 수행되지 않으므로 단순화된 모델인 [그림 2]를 사용한다.

시뮬레이션에 필터 구성 요소를 포함하면 2가지 주요 이점을 얻는다. 첫째, 필터의 출력 임피던스는 PFC 제어 루프에서 중요한 역할을 하기 때문에 안정적인 PFC 스테이지를 설계하는 데 도움이 된다. 이것은 설계 단계에서 EMI 필터를 고려하지 않을 때 종종 문제가 된다.

둘째, 시스템 효율성과 열 관리 요구사항을 더 정확하게 추정하기 위해 필터에서 소비한 전력 손실을 고려할 수 있다. 이 시뮬레이션의 목표 중 하나는 제어 전략과 성능에 영향을 미칠 수 있는 요소를 확인하고 검증하는 것이다.

돌입 전류 보호

돌입 전류 보호는 전기차 충전기 전력 시스템의 핵심 요소이기 때문에 시뮬레이션 일부로 포함해야 한다. 모델 구현은 간단하며 [그림 3]과 같이 3상 라인 2개에 병렬 릴레이와 저항기로 구성됐다. 시스템은 중성 경로를 포함하지 않아 3상에는 저항기가 필요하지 않다.

일반적으로 돌입 전류를 시뮬레이션하면 저항에서 예상되는 최대 에너지 손실을 확인할 수 있어 실제 구성 요소를 선택하는 데 도움이 된다.

PFC 인덕터 모델

SPICE 시뮬레이션 소프트웨어는 인덕터 요소를 제공하지만 요소가 너무 단순해 전력 시스템에서 중요한 인덕터 동작과 인덕터 포화, 자기 공명 효과를 설명하지 못할 수 있다. 인덕터 포화 효과는 룩업 테이블에서 모델링해 자기장 강도(H)에 따른 인덕터의 자기 상대 투자율(µr) 사이의 관계를 제공한다. 권선 손실은 직렬 저항으로 모델링된다. [그림 4]는 모델의 요소들이 어떻게 상호작용하는지에 대한 자세한 정보를 제공한다.

코어 손실은 관련 방식이 복잡하고 부정확해서 시뮬레이션 모델에서 제외한다. 코어 손실은 첫 번째 프로토타입을 통해 하드웨어 테스트 중에 평가된다. 첫 번째 하드웨어 프로토타입을 사용해 인덕터뿐만 아니라 일부 설계를 미세 조정할 수 있다.

전원단 모델

전원단은 전력 변화기의 핵심이다. 전원단에는 게이트 드라이버는 물론 3개의 하프 브리지 실리콘 카바이드(SiC) 모듈도 통합됐다. 드라이버 시스템은 SiC 기반 시스템 성능에 상당한 영향을 미치기 때문에 시뮬레이션에 드라이버 시스템을 어느 정도 포함하는 것이 좋다.

특정 동작 조건에서 드라이버 출력 상승과 하강 시간 정보, 지정한 드라이버 출력 능력(싱크/소스 피크 전류)을 사용하면 허용 가능한 계산 시간을 제공함과 동시에 시뮬레이션의 정확도를 향상시키는 출력 특성의 근사치를 얻을 수 있다. 이런 접근 방식은 NCD57000 드라이버를 시뮬레이션하는 데 사용된다[그림 5].

전원 모듈

전원 모듈에서 SiC-MOSFET을 모델링하는 것은 전력 시뮬레이션의 중요한 단계다. 게이트 드라이버와 마찬가지로 모듈에는 SiC MOSFET에 대한 상세한 물리적 모델이 있다. 이 모델은 일반적으로 장치 특성화와 특정 동작 조건에서 장치 매개변수를 추출한다. 또 데이터 시트에 공개된 특정 동작 지점에서의 정보를 확장한다.

그러나 시뮬레이션에서는 스위치 6개가 필요하다. 물리적 모델을 사용하면 시뮬레이션이 매우 느려지거나 실행할 수 없게 되며 수렴 문제가 발생하기도 한다. 이에 대한 실질적인 접근 방식은 전력 시스템에 중요하고 적절한 영향을 미치는 주요 요소와 동작을 통합하는 단순화 모델을 만드는 것이다[그림 6].

단순화한 MOSFET 모델은 SiC-MOSFET에서 3개의 주요 기생 커패시턴스와 R_DS(ON), 바디 다이오드의 V_F 강하 같은 핵심 요소를 설명한다. 이들은 단일 값이 아니라 다양한 동작 조건에 대한 특성 곡선을 가진 모델이다. 기생 커패시턴스 값은 V_DS에 따라 크게 달라진다. V_DS에 대한 종속성은 일반적으로 데이터시트에서 그래프로 제공된다. 기생 값은 C_ISS와 C_OSS, C_RSS로 제공돼 <C_gd = C_RSS>, <C_gs = C_ISS - C_RSS (C_ds 단락)>, <C_ds = C_OSS - C_RSS> 같은 공식을 사용해 모델 값을 계산한다.

[그림 7]은 이번 프로젝트에서 활용한 모델이다. 룩업 테이블을 기반으로 커패시터 값의 비선형 곡선을 보여준다.

SiC-MOSFET의 R_DS(ON)은 게이트 전압(V_GS)에 의존하며 동작은 모델에 ‘B_rds’로 표시된다. V_GS는 R_DS(ON) 값에 영향을 미치는 요인이지만, 순간적인 I_D와 V_DS의 변화에서는 V_GS에 미치는 영향이 더 적다.

바디 다이오드의 V_F 전류 특성은 룩업 테이블에서 성능이 확인된 전류 중 임의의 값을 사용해 쉽게 모델링할 수 있다. 전류는 바디 다이오드 V_F에 따라 달라진다. 바디 다이오드 V_F 특성은 모든 애플리케이션에 필요하진 않다. 하지만 3상 PFC 단계에서 바디 다이오드는 정류(rectification) 동작에 사용되며 V_F 전류 동작은 스위칭 데드타임(dead time) 설정에 상당한 영향을 미치므로 전체 성능에 중요한 역할을 한다. 다이오드의 역회복 특성은 모델에 포함하지 않는다.

기본적인 SiC-MOSFET 모델에는 디바이스의 각 핀에 존재하는 기생 인덕턴스와 저항을 포함하지 않는다. 그래서 내부 게이트 연결 저항을 추가하면 스위칭 특성(dV/dt)을 더 정확하게 재현해 게이트 저항을 선택하거나 최적화할 수 있다. 그 다음으로 동작 중 전압 스파이크를 정확하게 재현하려면 기생 인덕턴스 모델링을 대부분 권유한다. 하지만 일반적인 시스템 수준 검증에서는 중요하지 않으며 게이트 저항 값을 조정해 하드웨어에서 스위칭 동작을 미세 조정할 수 있다.

시뮬레이션 결과는 <25㎾ 실리콘 카바이드 기반 고속 직류 충전기 개발 3부: PFC 스테이지 시뮬레이션 ②>에 게재될 예정이다.

글 : 캐롤 렌덱(Karol Rendek), 스테판 코스테렉(Stefan Kosterec),
디오니시스 보글리시스(Dionisis Voglitsis), 라칫 쿠마(Rachit Kumar)
자료제공 : 온세미(www.onsemi.com)