onsemi, Single-Stage Matrix Converter 기반 11 kW OBC로 PFC·DC-Link 수동부품 제거 및 2.4 kW/L 전력밀도 구현

전기차 OBC가 기존 2-Stage 구조에서 Single-Stage 구조로 전환되는 가운데, onsemi는 Matrix Converter 전력 토폴로지와 고속 제어 기술을 결합한 11 kW OBC Demonstration Design을 개발했다. PFC Inductor와 DC-Link Capacitor를 제거·축소해 시스템 비용과 체적을 낮추면서 3상·단상 11 kW 충전 및 NACS를 지원하고, 650 V M3S EliteSiC MOSFET을 적용해 전력밀도 2.4 kW/L와 최대 효율 97.2%를 구현했다.

• Single-Stage Matrix Converter 적용으로 기존 2-Stage OBC의 수동부품·시스템 복잡성 저감

전 세계 전기차 시장에서 높은 충전 효율과 Architecture 유연성에 대한 요구가 증가하면서 OBC 기술도 복잡한 구조를 단순화하는 방향으로 발전하고 있다. onsemi의 11 kW OBC Demonstration Design은 전기차 On-Board Charging Application을 위해 Matrix Converter 전력 토폴로지를 적용하고 자체 개발한 고급 제어 알고리즘을 결합했다. Matrix Converter는 정교한 제어 전략과 높은 연산 성능을 필요로 하며, 최신 MCU와 FPGA를 활용해 이를 구현한다. 기존 2-Stage Converter와 달리 Single-Stage Converter는 PFC Inductor와 DC-Link Capacitor 등의 수동부품을 필요로 하지 않거나 크게 줄일 수 있어 Capacitor와 PFC Choke Inductor의 수량 및 크기를 감소시키고, 이를 통해 전력밀도를 높이는 동시에 전체 OBC 크기와 시스템 비용을 절감할 수 있다. onsemi의 Daniel Goldman은 입사 전부터 Single-Stage AC-DC Converter를 연구했으며, 박사과정에서 정지형 Energy Storage System용 DAB 기반 단상 Single-Stage AC-DC Converter 연구를 주도했다. 이후 onsemi에서 향후 Semiconductor Device 기반 OBC 요구사항을 분석하기 위한 유망 Topology로 해당 구조를 제안해 적용했다.

• 3상·단상 11 kW 통합 및 NACS 대응으로 단일 OBC Platform의 글로벌 충전규격 호환성 확보

해당 설계는 11 kW 3상 AC 충전뿐 아니라 11 kW 단상 AC 충전까지 지원하도록 구성됐다. 특히 단상 충전 호환성을 추가함으로써 북미 NACS의 요구조건에도 대응할 수 있다. NACS의 소형 Dual Power Pin Connector는 AC와 DC 충전을 모두 지원하기 때문에 이러한 충전 Architecture와 결합하면 하나의 OBC Platform으로 주요 글로벌 충전표준에 대응할 수 있다. 이에 따라 동일 차량에 대해 판매지역별로 서로 다른 OBC Version을 별도로 개발해야 하는 부담을 줄일 수 있으며, OBC Hardware Platform의 공용화를 확대할 수 있다. onsemi는 여러 차례 Design Version을 최적화하면서 Matrix Converter 기반 OBC의 실현 가능성과 독립적인 작동 능력을 검증했다.

• Transformer·PCB·부품배치 최적화와 650 V EliteSiC 적용으로 전력밀도 1.1→2.4 kW/L 및 효율 97.2% 달성

onsemi는 Matrix Converter 기반 OBC의 반복적인 Version Optimization 과정에서 Transformer를 재설계하고 PCB Layout과 Component Placement를 최적화했다. 이를 통해 초기 1.1 kW/L 수준이었던 전력밀도를 2.4 kW/L까지 높였다. 최신 Version에서는 추가적인 Design Improvement를 통해 효율을 높였으며, 특히 T2PAK Top-Cooled Package를 사용하는 onsemi의 새로운 650 V M3S EliteSiC MOSFET을 적용해 최대 97.2%의 효율을 달성했다. 즉 Single-Stage Architecture에 의한 수동부품 감소뿐 아니라 Transformer, PCB 및 Power Semiconductor를 함께 최적화해 OBC의 소형화와 고효율화를 동시에 추진한 것이 핵심이다. 기존 Solution과 비교하면 Single-Stage Converter는 PFC Inductor나 DC Bus Capacitor가 필요하지 않아 동일한 효율 등의 성능을 유지하면서 시스템 비용을 낮추거나, 동일한 비용 조건에서 더 높은 시스템 성능을 확보할 수 있다는 것이 onsemi의 설명이다.

• 고난도 Matrix Converter 제어를 MCU·FPGA 고속연산 및 Advanced PWM Hardware로 구현

Matrix Converter가 과거 OBC에 널리 적용되지 못했던 핵심 원인은 제어 복잡성이다. 특히 3상 Grid에 연결되는 Single-Stage Converter는 기존 2-Stage Solution보다 제어 난도가 훨씬 높아 실용화를 지연시켰으며 MCU의 연산 성능에도 높은 부담을 요구한다. 또한 Matrix Converter의 Bidirectional Switch를 안전하게 Switching하려면 복잡한 Gate Drive Waveform을 생성해야 하기 때문에 MCU SoC 내부에 Advanced PWM Hardware가 필요하다. 최근 MCU의 연산 능력 향상과 FPGA를 이용한 고속 제어, Advanced PWM Hardware 등의 발전으로 이러한 제약을 해결할 수 있게 되면서 Matrix Converter를 실제 Automotive OBC에 적용할 수 있는 기술적 기반이 마련됐다. 이번 11 kW Demonstration Design은 이러한 제어 기술의 발전을 기반으로 Single-Stage Matrix Converter가 기존 PFC+DC/DC 중심의 OBC Architecture를 단순화하면서 시스템 비용·체적·전력밀도를 동시에 개선할 수 있음을 검증한 사례다.