EV 전원 시스템의 핵심, DC/DC 컨버터의 역할과 구성 알아보기
전기차(EV)의 DC/DC 컨버터는 고전압 배터리의 전력을 차량 전장 시스템에 적합한 저전압으로 변환하는 핵심 장치입니다. 역할과 구성, 주요 부품을 쉽게 설명합니다.
DC/DC 컨버터 소형화 방법을 찾고 계신가요? 출력용 캐패시터 개수를 3개에서 1개로 줄이면서 부하 과도 응답 특성을 유지한 시뮬레이션 검증 사례와 공간 절약 효과를 소개합니다.
DC/DC 컨버터 출력 캐패시터 수를 줄여도 성능을 유지할 수 있을까?
공간 절약 검토 사례 소개
DC/DC 컨버터의 소형화, 왜 중요할까?
자동차 산업의 전동화가 빠르게 진행되면서 차량 내 전력 소비량은 지속적으로 증가하고 있습니다. 특히 EPS(Electric Power Steering), 냉각 팬 등 고출력 애플리케이션에서는 기존 12V 시스템에서 48V 시스템으로의 전환이 확대되고 있으며, 이에 따라 전원 변환을 담당하는 DC/DC 컨버터의 중요성도 높아지고 있습니다.
전동화 확대와 함께 차량에는 더 많은 전장 부품이 탑재되고 있으며, 제한된 공간 안에서 높은 성능을 구현해야 하는 설계 요구도 증가하고 있습니다. 이러한 이유로 DC/DC 컨버터에는 단순한 전력 변환 기능뿐만 아니라 고출력과 소형화를 동시에 만족하는 설계가 요구되고 있습니다.
특히 출력단 캐패시터는 전원의 안정성과 과도 응답 특성에 중요한 역할을 담당하는 부품으로, 사용 수량과 실장 면적이 전체 기판 설계에 영향을 미칩니다. 따라서 동일한 성능을 유지하면서 캐패시터 수를 줄일 수 있다면 공간 활용도를 높이는 데 도움이 될 수 있습니다.
이번 사례에서는 Panasonic 전도성 고분자 하이브리드 알루미늄 전해 캐패시터를 활용하여 출력 캐패시터 수를 줄이면서도 기존 설계 수준의 성능을 유지할 수 있는지 검토한 내용을 소개합니다.
검토 사양 및 시뮬레이션 방법
고객 DC/DC 컨버터 사양
검토 대상 DC/DC 전원의 주요 사양은 다음과 같습니다.
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입력 전압 Vin
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24 V
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출력 전압 Vout
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12 V
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부하 전류
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10 A
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소비전력
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120 W
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스위칭 주파수
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300 kHz
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전압 허용 범위
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±5 %
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부품 높이 제한
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20 mm 이하
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부하 과도 응답 조건은 아래와 같습니다.
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상승
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1 A → 10 A
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하강
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10 A → 1 A
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Slew Rate
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10 A/μs
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(도표 1) 전원 회로의 사양 조건
기존 설계 구성
기존 설계에서는 출력단에 당사 파나소닉의 하이브리드 캐패시터 ZC 시리즈를 3개 사용하고 있었습니다.
[현 설계]
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시리즈
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ZC
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정격 전압
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25 V
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제전 용량
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330 uF
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크기
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ø10x10.2
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리플 전류
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2 Arms
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ESR
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20 mΩ
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개수
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3 개
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스페이스
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360 mm2
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이를 기준으로 출력단에 요구되는 성능을 추정했습니다.
[추정된 목표 성능]
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총 용량
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약 1000 uF
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크기
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ø10 이하
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리플 전류
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약 6 Arms
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총 ESR
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약 6.7 mΩ
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[대체 검토 품번]
위의 조건을 만족하면서 사용 개수를 줄일 수 있는 후보 제품을 선정했습니다.
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시리즈
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ZK
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ZKU
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ZSU
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품번
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정격 전압
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25 V
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25 V
|
25 V
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제전 용량
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470 uF
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560 uF
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1000 uF
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크기
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ø10x10.2 mm
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ø10x10.2 mm
|
ø10x10.2 mm
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개수(예측)
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2
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2
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1
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선정된 후보 제품에 대해서는 고객의 실제 사용 조건을 기반으로 부하 과도 응답 시 출력 전압 변동 특성을 회로 시뮬레이션을 통해 검증했습니다. 시뮬레이션에는 저주파 영역부터 고주파 영역까지 실측값과의 정합성을 높인 20소자 모델을 적용하여 정확도를 향상시켰습니다.
시뮬레이션 결과
1. ZK 시리즈 적용 시
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사용 수량 : 2개
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DC/DC 전원의 부하 과도 응답 상승 시: 225mV
-
DC/DC 전원의 부하 과도 응답 하강 시: 235mV
-
출력 전압 변동은 현행 설계와 동등 수준
-
부품 실장 면적 약 33% 감소
-
2. ZKU 시리즈 적용 시
-
- 사용 수량 : 2개
- DC/DC 전원의 부하 과도 응답 상승 시: 214mV
- DC/DC 전원의 부하 과도 응답 하강 시: 222mV
- 출력 전압 변동은 현행 설계보다 개선
- 부품 실장 면적 약 33% 감소
3. ZSU 시리즈 적용 시
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- 사용 수량 : 1개
- DC/DC 전원의 부하 과도 응답 상승 시: 222mV
- DC/DC 전원의 부하 과도 응답 하강 시: 234mV
- 출력 전압 변동은 현행 설계와 동등 수준
- 부품 실장 면적 약 66% 감소
4. 결과 비교
이번에 선정한 3개 품번 각각의 회로 시뮬레이션에서 전원의 중요 특성인 부하 급변 시 전압 변동에 대해 현행 설계와 동등 이상의 성능을 만족할 수 있음을 확인하였습니다.
이 결과를 바탕으로 사용 개수를 줄일 수 있으며 특히 ZSU 시리즈(EEHZS1E102UP) 는 캐패시터 수를 3개에서 1개로 줄이면서도 부하 과도 응답 특성을 유지하고, 실장 면적을 약 66% 절감할 수 있는 결과를 확인했습니다.
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캐패시터
시리즈 |
실장 면적
제거 효과 |
상승 1 A→10 A
(spec:△V=600mV)
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하강 10 A→1 A
(spec:△V=600mV)
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공간 절약 |
출력 전압
안정성 |
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[현 설계]
ZC
25V330uF
ø10x10.2mm |
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224 mV
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-
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234 mV
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-
|
-
|
-
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[검토]
ZK
(EEHZK1E471P)
25V 470uF ø10x10.2mm |
 -33%
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225 mV
|
동등
|
235 mV
|
동등
|
○
|
○
|
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[검토]
ZKU
|
 -33%
|
214 mV
|
개선
|
222 mV
|
개선
|
○
|
◎
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[검토]
ZSU
(EEHZS1E102UP)
25V 1000uF ø10x16.5mm |
 -66%
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222 mV
|
동등
|
234 mV
|
동등
|
◎
|
○
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정리
당사가 제안한 ZSU 시리즈(EEHZS1E102UP) 대체안을 바탕으로 고객이 실제 DC/DC 전원 기판에서 평가를 실시한 결과, 대체 가능하다는 판단을 받았으며 기판의 공간 절약 설계에 기여할 수 있었습니다.
다만 본 검토 결과는 회로 시뮬레이션과 실제 평가 사례를 기반으로 한 것으로, 부품 대체 시에는 반드시 실제 사용 환경에서 충분한 검증이 필요합니다.
DC/DC 컨버터 설계에서 공간 제약과 전원 안정성을 동시에 고려해야 한다면, 정전 용량뿐만 아니라 ESR, 리플 전류, 과도 응답 특성을 종합적으로 검토하여 최적의 캐패시터를 선정하는 것이 중요합니다.
파나소닉은 부품 모델과 시뮬레이션 툴을 활용하여 고객의 설계 최적화를 지원하고 있습니다. 설계와 관련하여 어려움이 있으시면 언제든지 상담해 주시기 바랍니다.
