A Study on the Miniaturization of e-Mobility Battery Charger Module Using GaN-FET

GaN-FET을 이용한 e-Mobility 배터리용 충전기 모됼의 소형화에 관한 연구

Abstract

In this paper, a study was conducted on the miniaturization of an e-Mobility battery charger module using GaN-FET. GaN-FET is one of the types of WBG devices, and it is a device that exceeds the performance of existing Si power semiconductors. In particular, GaN-FET has the advantage of small packaging size and high switching frequency operation, which is advantageous for miniaturization of power converters. Therefore, a bidirectional DC/DC converter module for e-mobility charging using GaN-FET was developed. To apply to the converter to be developed, analysis is performed on the characteristics of GaN-FET, and after manufacturing a prototype of a bidirectional DC/DC converter module, the efficiency and temperature data of the power converter are analyzed to verify its feasibility.

1. 서론

폭스바겐의 디젤게이트 사건 이후 내연기관에서 전기차로 빠르게 전환하려는 사회적 분위기가 만들어진 후, 전기자동차를 비롯한 자율주행차 관련된 기술들이 빠르게 발전하면서 그에 맞춰 많은 요소기술 또한 발전하였다. 특히, 전기차에 관련된 OBC(On-board-Charger), 모터 드라이버, , 급속 충전기 등 전력 반도체가 사용되는 분야에서는 높은 전압, 전류, 온도 등의 환경에서도 안정적인 동작을 수행하는 전력 반도체의 요구가 높아졌고, 이에 따라 기존의 Si 전력 반도체 성능을 뛰어넘는 WBG(Wide Band Gap) 소자의 많은 발전과 상용화가 이루어지고 있다. WBG(Wide Band Gap) 소자는 기존의 Si 전력 반도체에 대비 고온 또는 고전압 환경에서 이용할 수 있고, 소형화가 가능하다는 장점이 있다. Si 소자의 최대 사용온도는 150[℃]이지만 WBG 소자들은 이보다 높은 온도에서 사용할 수 있다. 그리고 항복 전압 또한 높으므로, 고전압이 요구되는 곳에서도 사용 가능하다는 장점이 있다. 이러한 WBG 소자는 SiC(Silicon Carbide)와 GaN(Gallium Nitride)로 구성된 전력 반도체 소자들이 대표적이다. 특히 GaN-FET는 패키징 크기가 작고 높은 스위칭 주파수 동작이 가능하다는 장점이 있어 전력변환기의 소형화 시 키기에 유리하다. 그러나 SiC 대비 높은 제작 난이도와 가격 등의 문제로 상용화가 늦어졌고, 이로 인해 GaN-FET를 적용한 전력 변환장치에 관한 연구가 필요한 상황이다[1]-[6].

개인용 e-mobility는 기존의 오토바이와 자전거와 같은 기존의 개인용 이동수단을 빠르게 대체하고 있다. 동남아시아와 같은 개인용 이동수단의 보급률이 높은 지역은 시장발전 가능성이 무궁무진한 상황이다. 그러나 이러한 시장 가능성이 큼에도 불구하고, 아직 전기차 기반의 급속충전기에 관한 연구가 많이 이루어지고 있고, 개인용 e-mobility 에 관련된 충전기 연구는 아직 부족한 상황이다.

따라서, 본 논문에서는 GaN-FET을 이용한 개인용 e-mobility 충전용 양방향 DC/DC 컨버터 모듈을 개발하고 분석을 수행한다. 개발하는 양방향 DC/DC 컨버터는 e-mobility에 많이 사용되는 36[V] 배터리에 적용 가능한 1[kW]급 소형화된 컨버터 모듈을 개발하고자 한다. 개발하는 컨버터에 적용하기 위해 GaN-FET의 특성에 관해 분석을 수행하고, 양방향 DC/DC 컨버터 모듈 시제품을 제작한 후, 전력변환기의 효율과 온도 데이터 분석을 수행하여 타당성을 검증한다.

2. GaN-FET의 특징

GaN 소자는 같은 계열로 분류되는 WBG 소자인 SiC 소자에 견줄 만큼 높은 물리적인 성능을 갖는다.

GaN-FET의 구조는 Fig. 1과 같다. AlGaN (Aluminum nitride)과 GaN의 이종접합 구조를 이용한 고전자 이동 트랜지스터이다. GaN층의 상부에 AlGaN을 형성시킨다. AlGaN과 GaN의 큰 밴드갭과 분극에 의한 내부 전기장으로 인해 AlGaN과 GaN의 경계면에서 불연속성으로 인한 2차원 전자가스층이 형성된다[1][2]. 이렇게 형성된 전자가스층은 on 저항이 낮고 높은 캐리어 농도와 높은 전자 이동 특성을 갖는다. 이러한 특성은 동일 면적에서 매우 낮은 on 저항값과 Gate전 하를 제공하며 이러한 특성으로 인해 GaN-FET은 기존 반도체 소자에 비해 월등한 성능 지수를 갖는다. 그리고 GaN-FET은 PN접합이 존재하지 않기 때문에 도전율 변조 현상이 없다. 이러한 특징은 GaN-FET이 SiC-FET보다 높은 절연파괴 전계를 보유하여 낮은 on 저항 특성을 갖고, 소형화가 가능하고 디바이스 동작에 따른 스위칭 손실 및 소비 전력 최소화의 장점이 된다. 그러나 이러한 장점은 SiC 대비 더 높은 물성을 보여줄 수 있지만, 높은 제작 단가와 낮은 제작 기술, 그리고 낮은 열전도 등의 이유로 상용화가 늦어졌다. GaN의 열전도도는 1.3W·K/cm으로, SiC의 4.9W·K/cm 보다 현저히 낮을 뿐만 아니라 Si의 열전도도 1.5W·K/cm에도 미치지 못한다. 그러므로 GaN의 열전도도를 고려하여 방열 설계를 수행한다면 GaN을 이용한 전력변환기 설계 시 부피를 줄일 수 있을 것으로 판단된다.

Fig. 1 GaN-FET structure

Fig. 2는 고전압 전력 반도체의 적용 범위를 나타낸 그림이다. GaN-FET은 Si-FET와 같은 동작 주파수 대역에서 Si-FET에 비해 높은 동작 전력을 가지며, SiC-FET보다 높은 MHz 대역에서도 높은 전력을 확보하며 동작이 가능한 것을 확인할 수 있다.

Fig. 2 High-voltage power device mapping

3. 양방향 DC/DC 컨버터 모듈을 위한 GaN-FET 선정

개인용 e-Mobility 충전용 전력변환장치의 구조는 크게 3개의 파트로 구성된다. 계통 연계를 위한 양방향 AC-DC, 정류된 고전압을 낮은 전압으로 낮추어 배터리 충전을 위한 절연형 양방향 컨버터, 마지막으로 배터리의 충/방전 양방향 컨버터가 필요하다. 본 논문에서는 배터리를 직접 충·방전하는 양방향 DC/DC 컨버터에 관해서 분석하였다.

양방향 DC/DC 컨버터는 하프-브릿지 컨버터의 구조로 구성되며 배터리 충·방전을 위해서 사용되는 구조로 Fig. 3과 같다. 양방향 컨버터의 고전압 부분이 입력부, 낮은 전압 부분을 출력부라 하면, 출력부의 전압은 배터리의 전압이 된다. 양방향 DC/DC 컨버터의 크기를 줄이기 위해서는 인덕터, 커패시터, 전력 반도체의 크기를 줄여야 한다. 인덕터의 인덕턴스를 구하는 식은 식(1)과 같다.

Fig. 3 Bi-directional DC/DC converter

\(L=\frac{\left(V_{\text {High }}-V_{\text {Low }}\right) \times V_{\text {Low }}}{V_{\text {High }} \times f_{\text {sw }} \times r \times I_{\text {Out }}}\)       (1)

식(1)에서 r은 출력전류의 전류 리플 비율을 나타내는 상수이다.

\(I_{L-\text { peak }}=I_{O u t}+\frac{V_{L o w} \times\left(V_{H i g h}-V_{L o w}\right)}{2 \times V_{H i g h} \times f_{s w} \times L}\)       (2)

식(2)는 인덕터에 흐르는 최대 전류를 나타낸 식이다. 식(1)과 식(2)는 인덕터 설계의 기준이 되는데, 인덕터의 크기를 낮추기 위해서는 인덕턴스 와 인덕터 전류의 피크값을 낮춰야 하며 이는 스위칭 주파수 f_sw를 높임으로서 가능하다.

양방향 DC/DC 컨버터의 출력커패시터는 출력 전압을 중심으로 출력 리플 전압과 연동하여 충· 방전을 반복하고, 입력커패시터 대비 커패시터의 전류 리플 크기가 작다.

\(\Delta V_{O R P L}=\Delta I_{L}\left(\frac{1}{8 \times C \times f_{s w}}+E S R\right)+E S L \frac{V_{H i g h}}{L}\)       (3)

식(3)은 커패시터의 출력전압 리플을 나타내는 식이다. 출력전압 리플은 인덕터 전류 리플과 ESR에 의해 발생하는 리플 전압과 ESL에 의해서 발생하는 리플 전압 그리고 커패시터의 정전용량에 의해서 리플 전압이 합쳐져서 나타나게 된다. 그러므로 출력 커패시터를 낮추기 위해서 스위칭 주파수를 높이고 ESR과 ESL이 낮은 커패시터를 선정해야 한다.

전력 반도체는 인덕터와 커패시터의 크기를 낮추기 위한 주파수 대역에서 동작하고, 스위칭 손실이 적으며 크기가 작은 소자를 선정해야 한다. 이러한 조건을 충족하는 전력 반도체 소자는 Si-FET, SiC-FET, GaN-FET 종류가 있는데 본 논문에서는 GaN-FET을 적용하여 연구를 진행하였다.

Table 1은 본 논문에서 개발하고자 하는 36[V] 1[kW] 양방향 DC/DC 컨버터 모듈에 적용 가능한 WBG 소자 3개를 선정하였고, Infineon社의 SiC-FET인 IAU90N10S5N062, GaN systems社의 GaN-FET인 GS61008P, EPC社의 GaN-FET인 EPC2021을 비교한 표이다. 표를 살펴보면 SiC-FET 은 GaN-FET보다 R_thJC가 높아 케이스 열전도도가 높아 패키지 방열에 유리하지만, 높은 V_GS전압으로 추가적인 드라이버 전원회로를 구성해야 한다는 단점이 있다. GaN-FET은 +5[V]전원으로 스위치 구동이 가능하고, EPC2021의 모델은 R_DS(on)이 2.2[m Ω]로 도통 손실이 낮다는 장점을 갖으며 Size 또한 6.0x2.2[㎟]으로 가장 작다. 따라서, 본 논문에서 달성하고자 하는 소형화, 고효율 컨버터 개발을 위해 EPC2021을 이용하여 개발을 진행하였다.

Table 1. FET Comparison

4. GaN-FET의 방열을 고려한 PCB 설계

GaN-FET으로 제작시 가장 고려해야 하는 것은 방열 설계에 주의해야 한다는 점이다. Table 1에서 보면 R_thJC가 낮은 것을 확인할 수 있다. 즉, 낮은 열전도도와 작은 패키지로 인해서 방열판을 이용하여 방열하는 것에 한계가 있다.

그러므로 케이스 방열뿐만 아니라 바닥면을 이용한 방열 설계도 고려해야 한다. Fig. 4는 EPC 2021의 Gate, Drain, Source 핀을 나타낸 그림으로, 기존의 스위치와는 다른 구성을 하고 있어, 이를 고려하여 PCB 설계를 진행하였다.

Fig. 4 Bottom of EPC2021

Fig. 5는 EPC2021을 위해서 방열을 고려한 설계를 진행한 PCB layout 그림이다. EPC2021에서 발생하는 열을 PCB Layer를 통하여 열을 전도시켜 방열이 이루어지도록 설계를 하였다. EPC2021 의 PAD 사이에 via 홀을 내어 각 스위치에서 발생하는 열이 via 홀에 연결된 각각의 layer에 전달되도록 하여 열 빠르게 PCB layer에 전달시켜 EPC2021의 열이 느리게 증가하도록 하였다.

Fig. 5 Bottom of EPC2021

5. 실험 결과

제작된 양방향 DC/DC 컨버터는 모듈 타입으로 제작을 하였다. 제작된 보드는 크기를 최소화하기 위해 게이트 드라이버 회로와 EPC2021로 하프브릿지 컨버터를 구성하였다. 컨버터 보드의 구동을 위해 Ti 社의 TMS320F280049로 제작하였고, 스위칭 주파수는 200[kHz], 인덕터는 6[uH], 포화 전류 50[A]로 선정하였다. 커패시터는 MLCC 44[uF]로 제작하였고, 실험 환경은 Fig. 6과 같다.

Fig. 6 Experimental condition

Fig. 7은 설계된 컨버터의 입·출력 전압과 출력 전류를 측정한 파형이다. 입력전압 50.43[V], 출력 전압 39.61[V], 출력전류로 최대전력 1.105[kW]에 서도 동작하는 것을 확인하였다.

Fig. 7 Experimental result – 1kW waveform

Fig. 8은 DC/DC 컨버터 모듈의 최대 효율을 측정한 결과이다. 측정결과 입력전압 50.01[V], 입력 전류 13.88[A], 입력전력 694.2[W]일 때 출력전압 41.17[V], 출력전류 16.32[A], 출력전력 671.7[W] 로 96.743[%]의 효율이 나옴을 확인하였다.

Fig. 8 Experimental result – Maximum efficiency

설계한 PCB의 성능 테스트를 위해서 온도측정 실험을 진행하였다. 실험은 최대 효율이 나온 출력전력 670[W]에서, 철로 만들어진 Heat sink와 동으로 만들어진 Heat pipe를 EPC2021에 부착하고, 조건을 달리하여 20분간 컨버터를 구동하는 동안의 온도 변화를 측정하였다. 또한 12㎝ 떨어진 거리에서 FAN을 구동시켰을 때의 온도 변화를 측정하였고, 측정된 결과에 대해 분석하였다. 온도는 각각의 전력 반도체와 PCB Bottom면, Heat sink 또는 Heat pipe를 측정하였다.

Fig. 9는 Heat sink와 Heat pipe를 적용하지 않고 FAN만 구동하였을 때의 온도 결과이다. 컨버터 구동 후 2분이 지나면 온도가 일정하게 유지되고, 스위치 P_UP은 60.9[℃], P_DW는 68.6[℃], PCB bottom은 65.0[℃]였다.

Fig. 9 Experimental result – no sink, FAN on

Fig. 10은 Heat sink만 적용하여 실험한 결과이다. 20분 동안 온도는 지속해서 증가하며 20분 때의 온도는 스위치 P_UP은 70.3[℃], P_DW는 75.3[℃], PCB bottom은 75.1[℃], Heat sink는 53.4[℃]였다.

Fig. 10 Experimental result – Heat sink

Fig. 11은 Heat pipe만 적용하여 실험한 결과이다. 약 9분 동안 온도는 증가하다 일정하게 유지된다. 20분 때 온도는 스위치 P_UP은 66.1[℃], P_DW는 71.0[℃], PCB bottom은 72.8[℃], Heat sink는 60.9[℃]였다.

Fig. 11 Experimental result – Heat pipe

Fig. 12는 Heat sink와 FAN을 ON 했을 때의 결과이다. 약 2분 후부터 온도는 일정하게 유지된다. 10분 때 온도는 스위치 P_UP은 50.5[℃], P_DW 는 52.6[℃], PCB bottom은 52.8[℃], Heat sink 는 29.2[℃]였다.

Fig. 12 Experimental result – Heat sink, FAN on

Fig. 13은 Heat pipe와 FAN을 ON 했을 때의 결과이다. 약 3분 후부터 온도는 일정하게 유지된다. 10분 때 온도는 스위치 P_UP은 40.3[℃], P_DW 는 44.0[℃], PCB bottom은 44.8[℃], Heat pipe 는 35.3[℃]였다.

Fig. 13 Experimental result – Heat pipe, FAN on

실험 결과를 살펴보면 EPC2021의 반대편 면의 온도가 스위치 온도와 함께 빠르게 증가하였고, 이는 EPC2021에서 발생하는 열을 PCB를 통하여 분산시켜 EPC2021의 열을 분산시키는 것으로 판단할 수 있다. 그리고 Fig. 12와 Fig. 13의 실험 결과를 분석을 통해 EPC2021의 패키지에 직접 접촉하여 방열을 수행하는 소자의 열저항 계수 값이 작은 소자가 EPC2021의 온도 억제에 크게 영향을 미친다는 것을 확인하였다.

6. 결론

본 논문은 GaN-FET을 이용한 e-Mobility 배터리 충전기 모듈의 소형화에 관한 연구를 수행하였다. 본 연구를 통해서 제작된 컨버터는 3개의 전력 변환장치로 구성된 e-Mobility 배터리 충전기에서 배터리의 충전 알고리즘을 수행하는 양방향 DC/DC 컨버터의 소형화에 목적이 있으며, 제작된 양방향 DC/DC 컨버터 시제품은 보드 크기 50x50㎟, 200[kHz]의 스위칭 동작, 최대 출력 전력 1.1[kW], 671[W]에서 최대 효율 96.743[%]를 달성하였다. 또한, 온도 측정결과 분석을 통하여 본 논문에서 제안한 설계 방법의 타당성을 확인하였다. 개발된 시제품의 결과를 활용하여 GaN-FET 컨버터 모듈을 제작한다면, 작은 부피로 인하여 개별충전기로 활용되거나, 작은 부피를 갖는 다채널 충전기 스테이션에 활용성이 높을 것으로 판단된다.

감사의 글

본 연구는 중소벤처기업부의 규제자유특구혁신 사업육성 지원에 의한 연구임(P0016629).