[기고] 듀얼 자동차 배터리 시스템에서 12V와 48V의 브리징(bridging)

  • 2019-07-08
  • 글 / 지리 파나첵(Jiri Panacek), TI 파워트레인 오토모티브 시스템 엔지니어, www.ti.com




양방향 벅-부스트 컨트롤러로 듀얼 버스 토폴로지 지원


배기가스 규정이 갈수록 엄격해지고, 첨단 자동차 전자 장치들의 전력 부하 요구사항과 기계식 장치에서 전자식 기능으로의 전환이 증가하고 있다. 이러한 환경에서 전통적인 자동차용 12V 납축전지 시스템은 전류 용량의 한계에 다다르고 있다.

자동차 전류 용량의 한계를 극복하고자, 자동차 업계는 추가적인 48V 전기 시스템을 개발했다. 이에 따라 표준 12V 배터리만 사용할 때보다 더 낮은 전류로 더 높은 전력을 제공할 수 있게 되었다.

12V 한계에 대한 해결책으로 48V

48V의 새로운 구성 시스템은 2개의 파트로 구성된다. 표준 12V 버스는 인포테인먼트, 조명, 창문과 같은 통상적인 전력의 부하를 위해 전통적인 납축전지를 사용한다. 반면 새로운 48V 시스템은 스타터 제너레이터 유닛, 냉방시스템 압축기, 액티브 새시 시스템, 전기 수퍼차저 및 터보차저, 회생 제동과 같은 좀 더 무거운 전력 부하들을 구동할 수 있도록 지원한다.



그림 1에서 보듯이, 양방향 전류장치를 사용해 12V와 48V 시스템을 브리징할 수 있다. 그 결과, 자동차 무게가 감소함에 따라 연비는 향상되고, 이산화탄소 배출 감소 효과가 있다.

또한 48V 전력 시스템은 배선 무게의 부담을 줄여 준다. 전압이 높을수록 작은 와이어 게이지를 사용할 수 있기 때문에, 성능 저하없이 케이블 크기와 무게를 줄일 수 있다. 특히, 오늘날 출시되고있는 하이엔드 자동차의 경우, 배선 길이가 4km 이상에 이르기도 한다.

TI는 표준 12V 배터리와 48V 리튬이온 배터리 또는 수퍼커패시터(supercapacitor), 그리고 양방향 DC/DC 전류 컨버터를 통해 최대 10kw의 가용 전력을 전달하는 듀얼 배터리 시스템을 구축했다. 양방향 전력 전달은 배터리가 방전되었을 때, 방전된 한쪽의 배터리를 충전하고 과부하 조건에서 반대편 전압 레일로 추가 전력을 공급하기 위해 필요하다.

이 글에서는 12V/48V 시스템의 요구사항을 살펴보고, TI의 LM5170-Q1을 사용한 혁신적인 평균 전류 모드 제어를 소개할 예정이다. 이 벅-부스트 컨트롤러는 양방향 에너지 변환용으로서, 모든 제어 회로 구현이 가능하며 기존의 디스크리트 대비 시스템을 더욱 간소화할 수 있다는 장점이 있다.

LV 148 표준

48V 자동차 배터리 시스템에 관한 LV 148 표준은 48V 레일로 최소한 40ms 동안 최대 전압이 70V에 달해야 한다고 정의한다. 또한 과부하 조건 시, 성능 저하 없이 시스템이 계속 작동해야 한다. 이는 반도체 기업들에게 48V 레일에 연결되는 모든 것이 입력 단계에서 70V를 견뎌야 한다는 것을 의미한다. 자동차 업계에서는 일반적으로 10% 이상의 안전성을 고려하기 때문에 비보호 48V 레일에 사용되는 부품들은 사실상 100V에 이르는 입력 전압에 적합해야 한다.

48V 레일에서 12V 레일로 전력을 전달하기 위해서는 벅 컨버터를 사용하고, 12V에서 48V 레일 방향으로 전력을 전달하기 위해서는 부스트 컨버터를 사용한다. 벅 토폴로지와 부스트 토폴로지는 전력 전자공학에서 잘 알려진 개념이기는 하나, 두 컨버터를 따로따로 설계하면 보드 공간을 잡아먹고 시스템 복잡성과 비용 증가의 단점이 있다.

그렇기 때문에, 설계 엔지니어들은 통상적으로 12V 및 48V 디지털 제어 방식을 사용해 듀얼 배터리 시스템을 관리한다. 그러기 위해서는 전류 감지 증폭기, 게이트 드라이버, 보호 회로를 비롯한 다수의 디스크리트 부품들을 필요로 한다. 이에 대한 대안으로서 TI는 마이크로컨트롤러(MCU)로 높은 수준의 지능적인 관리를 처리하고 LM5170-Q1 같은 통합적인 아날로그 컨트롤러를 사용해서 전력 변환을 하는 혼합 아키텍처를 제공한다. 또한, LM5170-Q1을 순수한 아날로그 기능으로 구현하고 MCU를 루프에서 제거할 수도 있다.

LM5170-Q1은 48V와 12V 자동차 배터리 시스템 사이에 위상당 500W 이상의 전기 전력을 효율적으로 전달할 수 있으며, 전류 감지 증폭기와 고전류 게이트 드라이버를 내부적으로 통합하고 있다. 또한 시스템 보호 기능으로서 회로 차단기와 개별 위상 전류 모니터링을 포함하므로, 필요한 외부 부품 수를 절감할 수 있다. 다중의 컨트롤러를 병렬로 연결함으로써 수 킬로와트 대의 전력을 제공할 수 있는데, 그림 2에서 보듯이, 48V 버스로 약 10kw의 전력을 제공하고 다양한 시스템을 구동할 수 있다.



TI의 평균 전류 모드 제어는 DIR (direction input response) 신호가 지정한 방향으로 고전압 포트와 저전압 포트 사이에 흐르는 평균 전류를 제어하는 방식이다. DIR을 “1”로 설정하면 전력이 48V 포트에서 12V 포트로 흐르고, “0”으로 설정하면 전력이 12V 포트에서 48V 포트로 흐른다. 다시 말해, DIR 명령에 따라서 LM5170-Q1이 벅 모드나 부스트 모드로 Q1과 Q2를 어떻게 제어할지 결정된다.

기존의 평균 전류 모드 제어는 두 가지 문제점을 가지고 있다. 전류 루프 전달 함수가 동작 전압과 전류 조건에 따라서 변화하고, 양방향 동작을 위해서 2개의 각기 다른 루프 보정을 필요로 한다는 것이다. 하지만, TI의 LM5170-Q1은 양방향 동작으로 전달 함수가 동일하다. 또한, 일정한 루프 이득을 유지하므로, 벅과 부스트 변환 모두에 대해서 단일의 저항-커패시터(RC) 네트워크를 사용해서 보정을 할 수 있다는 장점이 있다.

TI LM5170-Q1 제어 방식의 이점

• 높은 정확도: 1% 정확도의 양방향 전류제어로 정밀한 전력 전달 보장
• 높은 전력 효율: 97% 이상의 시스템 효율 달성
• 높은 정밀도: 최대 99% 정확도로 전류 모니터링
• 높은 전력: 5A 피크 하프 브리지 게이트 드라이버가 내장돼 높은 전력 성능 제공
• 우수한 성능: 동기 정류기 MOSFET의 다이오드 에뮬레이션 모드를 사용해서 네거티브 전류를 차단하고 경부하 효율 향상
• 오토모티브 품질: AEC-Q100 인증 충족



표 1은 48V 시스템으로 다양한 제어 방식을 비교해서 보여준다.



그림 3은 개략적인 애플리케이션 회로를 보여주는 것으로서, LM5170-Q1이 얼마나 통합적인가를 알 수 있다.

LM5170-Q1 컨트롤러는 아날로그 신호 또는 디지털 PWM 입력을 사용해서 전류 레귤레이션 레벨을 설정할 수 있다. 듀얼 채널 차동 전류 감지 증폭기와 전용 채널 전류 모니터링 기능은 1%의 정격 정확도를 제공한다. 5A 하프 브리지 게이트 드라이버는 병렬 MOSFET 스위치를 구동할 수 있고 정격으로 위상당 500W 이상을 제공할 수 있다. 동기 정류기의 다이오드 에뮬레이션 모드를 사용해서 음의 전류를 차단하고 경부하 시에 불연속 모드 동작으로 효율을 높일 수 있다. 뿐만 아니라, 보호 기능으로서 사이클-대-사이클 전류 제한, 고전압 및 저전압 포트의 과전압 보호, MOSFET 결함 감지, 과열 보호를 포함한다.

전력 스테이지와 제어 회로

48V-12V 양방향 컨버터의 평균 전류 모드 제어를 위해서는 전력 스테이지로 하기의 요건을 필요로 한다:
•상측 FET(Q1)
• 하측 FET(Q2)
• 전력 인덕터(LM)
• 전류 감지 저항(RCS)
• 2개 배터리: 고전압 포트에 하나, 저전압 포트에 하나

제어 회로:
• 이득이 50인 전류 감지 증폭기, DIR 명령(0 또는 1)에 의해서 방향 지정
• 전류 루프 오차 증폭기로서 트랜스컨덕턴스 증폭기, 비반전 핀으로 레퍼런스 신호(ISET)를 인가해서 위상 DC 전류 레귤레이션 값 설정
• PWM 비교기
• 고전압 포트와 비례하게 생성된 경사 신호
• PWM 신호를 인가해서 메인 스위치로서 Q1이나 Q2를 제어하기 위해서 DIR에 의해서 제어되는 스티어링 회로
• COMP 노드에서의 루프 보정 네트워크

48V-12V 양방향 컨버터는 한 배터리 레일에서 다른 배터리 레일로 제공되는 전력 양을 정밀하게 제어하기 위해서 정확도 높은 전류 레귤레이션(3% 이내)을 필요로 한다. 전력이 높기 때문에 총 부하를 공유하기 위해서 흔히 인터리브 병렬 동작으로 다중의 회로를 필요로 하며, 공유를 하기 위해서 위상들 간에 균등하게 평형을 이루어야 한다. 이러한 이유에서 전압 제어 모드 토폴로지는 적합하지 않다. 다중위상 공유를 할 수 없기 때문이다.

LM5170-Q1은 더 많은 수의 위상을 위해서 다중의 컨트롤러를 동기화해서 다위상 병렬 동작을 할 수 있다. 각기 위상을 위상 편이 클록으로 동기화한다. 다위상 아키텍처를 사용함으로써 부품들의 크기를 줄일 수 있고 열 관리를 더 쉽게 할 수 있다. 각기 전력 위상을 손쉽게 병렬화할 수 있도록 벅과 부스트 모드 모두 전류 모드로 제어한다. 다위상 동작은 각기 위상을 인터리브 방식으로 스위칭할 수 있으므로 출력 리플을 낮추고 전자기 간섭(EMI)을 낮출 수 있다.

끝으로 지적할 점은, 유지보수를 할 때 한쪽 배터리나 두 배터리 모두를 분리시켰다 다시 연결할 일이 생기는데, 두 배터리를 사용하기 때문에 이렇게 다시 연결할 때 선을 잘못된 배터리 단자로 연결할 가능성이 높아진다는 것이다. 그러면 ECU의 장치들을 손상시킬 수 있다. 이러한 손상을 방지하기 위해서는 역 극성 보호가 필요하다. 쇼트키 다이오드는 전력 손실이 높다는 점 때문에 사용하기 어렵다. 이 방법 대신에 LM5060-1-Q1 상측 회로 차단기 컨트롤러와 n-채널 MOSFET을 사용함으로써 전력 소모를 줄일 수 있다. LM5050-Q1은 전원 소스로 직렬로 연결되었을 때 다이오드 정류기로서 외부 MOSFET을 사용해서 동작할 수 있다. 5V~75V의 전원을 연결할 수 있고 최대 100V에 이르는 트랜션트를 견딜 수 있다.

맺음말

LM5170 48V-12V 양방향 컨버터 평가 모듈(EVM)을 사용해서 LM5170-Q1 컨트롤러를 평가할 수 있다. 특히, 외부적 명령 신호나 온보드 점퍼를 사용해서 전력 흐름 방향을 제어할 수 있다. 또한, 온보드 인터페이스 헤더를 통해서 디지털 신호 프로세서(DSP), FPGA, MCU, 여타 디지털 컨트롤러를 사용해서 EVM을 실행할 수 있다. 2개 이상의 EVM을 병렬로 연결해서 더 높은 전력을 제공하기 위한 다위상 인터리브 컨버터를 작성할 수 있다.

12V/48V 자동차 시스템 용의 양방향 DC/DC 컨버터 레퍼런스 디자인은 12V/48V 자동차 시스템의 통상적인 동작 전압 요구를 충족한다. 이 시스템은 전력 스테이지 제어를 위해서 2개 LM5170-Q1 전류 컨트롤러와 C2000™ TMS320F28027F MCU를 사용하며 시스템으로 전압 피드백을 제공한다.

TI의 12V/48V 솔루션은 혁신적인 평균 전류 제어 방식을 사용함으로써 다위상 컨버터에 흔히 필요로 하는 위상 전류 밸런싱 회로를 필요로 하지 않는다. LM5170-Q1은 다수의 기능들을 통합함으로써 PCB 면적을 절약함은 물론 설계를 간소화하고 개발 작업을 단축할 수 있다는 이점이 있다.

추가 정보
• TI의 자동차용 시스템 제품
• 기술 백서: “교통 분야에서 가속화되고 있는 친환경혁신”

 

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