에너지 저장 시스템의 사용 시간을 늘리는 PassThru 기술

글: 브라이언 안젤로 보레스(Bryan Angelo Borres) 제품 AE, 앤서니 세르퀴나(Anthony Serquiña) 스태프 제품 AE / 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)


개요

PassThru™ 모드는 전원 소스가 부하에 곧바로 연결되도록 하는 컨트롤러 동작이다. 벅-부스트 또는 부스트 컨버터에 PassThru 모드를 사용함으로써 효율과 전자기 적합성(EMC)을 향상할 수 있다.1,2이 글에서는 PassThru 기술을 적용한 컨트롤러가 다른 컨트롤러들에 비해 어떤 이점들이 있는지, PassThru 모드가 어떻게 에너지 저장 시스템(ESS)의 사용 시간을 연장하도록 하는지, 특히 어떻게 수퍼커패시터의 총 동작 시간을 연장하는지 설명한다.

머리말

배터리 사용 시간을 늘리면 시스템 성능을 높이고, 디바이스를 더 오랜 시간 작동할 수 있고, 비용을 낮출 수 있다. 일반적으로 배터리 사용 시간을 늘리기 위해 사용하는 세가지 방법은 배터리 기술의 향상, 보다 나은 디바이스 설계 및 혁신적인 에너지 관리 시스템을 적용하는 것이다. 배터리 기술 향상과 관련해서는 애플리케이션에 적합한 배터리를 선택하는 방법이 있고, 배터리 관리 시스템을 도입함으로써 충전을 제어하고 온도를 제어하며 손실을 최소화하는 방법이 있다. 디바이스 설계를 향상하는 것과 관련해서는 효율적인 하드웨어 부품과 견고한 펌웨어를 고려해야 하는데, 이 두 가지는 기능성과 지속 시간의 적절한 균형을 위해 꼭 필요하다. 에너지 소모를 지능적으로 최적화하기 위해서는 AI 기반 알고리즘, 새로운 토폴로지, 그리고 PassThru 모드와 절전 모드 같은 효율적인 컨버터 제어 기법을 적용한 최신 전원 관리 시스템을 사용할 수 있다.


수퍼커패시터에 대한 이해

배터리와 더불어 수퍼커패시터 같은 에너지 저장 장치를 사용하는 것은 다양한 활용 사례에 이점을 가져올 수 있다.3이러한 이점은 빠른 충전 및 방전을 통해 짧은 전력 버스트와 긴 사용시간 및 전반적인 시스템 효율을 향상시킬 수 있다. 예를 들어 수퍼커패시터는 신속한 에너지 저장 및 백업 전원 공급 면에서 탁월한 특성을 나타낸다. 또한 수퍼커패시터는 극한의 온도와 조건들을 견딜 수 있다. 전기 자동차의 경우와 같이 배터리와 함께 수퍼커패시터를 사용함으로써 성능을 향상하고 배터리 수명을 늘릴 수 있다. 뿐만 아니라 수퍼커패시터는 환경을 위해서도 더 낫다.4

Figure 1. Typical discharge characteristics comparison of a 24 V supercapacitor and Li-Po battery at 0.5 A load.
그림 1. 0.5A 부하에서 24V 수퍼커패시터와 리튬폴리머 배터리의 통상적인 방전 특성 비교

그림 1은 수퍼커패시터가 배터리와 어떻게 다른지 보여준다. 동일한 정격 전압일 때, 6셀 0.1Ah 리튬폴리머(Li-Po) 배터리는 전체적으로 좀더 안정적인 전압을 제공하는 전압 소스의 특성을 나타낸다. 이에 비해, 2패럿(F) 수퍼커패시터로부터 부하로 전류가 흐를 때는 전압이 선형적으로 강하한다. 수퍼커패시터의 이러한 선형적 방전 특성은 에너지 변환을 위해 좀더 효율적인 시스템을 필요로 한다. 벅-부스트 컨버터 기능이 가장 선호되는 이유가 바로 여기에 있는데, 벅-부스트 컨버터는 입력 전압이 출력 전압 설정보다 낮든지 높든지 상관없이 출력 전압을 적절히 조절할 수 있기 때문이다.


PassThru 모드란?

PassThru 기술은 넓은 입력으로 동작하는 디바이스에 필수적인 기능이다. 통상적 제어 방식(표준 벅-부스트 컨트롤러)을 사용하는 시스템과 비교할 때, 이 기술은 향상된 효율을 달성하고 에너지 저장 시스템의 사용 시간을 늘릴 수 있다. PassThru는 사전에 지정된 전압 구간에서 입력이 곧바로 출력으로 전달될 때, 마치 단락이 일어난 것처럼 동작한다. PassThru 기술은 수퍼커패시터 같은 전원 소스와 부하 사이에서 네트워크로서 동작함으로써, 지정된 허용 범위에서 전압 레귤레이션이 이루어지도록 한다. 이 기술은 전원 소스에서 부하로 직접적인 경로를 제공함으로써 디바이스가 가능한 효율적으로 작동하도록 한다. PassThru 모드는 수퍼커패시터 전원으로 구동되는 디바이스에서 최적의 효율을 보장하는 데 있어서 중요한 역할을 한다. 수퍼커패시터의 로드/언로드 사이클을 감소시킬 뿐 아니라, 해당 디바이스의 EMI와 전반적인 성능을 향상하기 때문이다.


에너지 저장 시스템의 사용 시간을 늘리는 PassThru 모드

그림 2는 4-스위치 벅-부스트 컨버터에서 PassThru 모드가 어떻게 지정된 구간 설정에 따라서 전원 소스에서 출력 부하로 직접적인 경로를 제공하는지 보여준다. 여기서 입력은 출력으로 곧바로 전달된다. 지정된 PassThru 구간에서 스위칭 손실을 없앰으로써 효율이 향상하며, PassThru 모드일 때는 스위칭 주파수가 발생하지 않기 때문에 EMC 또한 향상한다. 또한 벅-부스트 컨버터에서 PassThru 모드는 부스트 출력 전압으로부터 다른 벅 출력 전압을 설정할 수 있는 옵션을 제공하기 때문에 유연성을 높인다. 이는 하나의 공칭 출력 전압만을 사용하는 통상적인 벅-부스트 IC와 대조적이다. 이 기능은 또한 입력 전압이 비정상적으로 동작할 때 부하를 보호하는 역할도 할 수 있다. 이에 관해서는 ADI 기술 기사 “스위칭 잡음 없이 99.9% 효율로 자동차 전장 시스템을 보호 및 구동하는 방법”을 참고할 수 있다.1 PassThru 기술은 시장에서 유일하게 이 기능을 제공하는 벅-부스트 컨트롤러 IC인 LT8210 의 동작 모드이다. PassThru 모드에 관한 보다 자세한 설명은 ADI 기술 기사 “ PassThru 기능을 적용한 4-스위치 벅-부스트 컨트롤러로 스위칭 잡음 제거하기”를 참고할 수 있다.

Figure 2. Buck-boost converter circuit diagram with PassThru mode.
그림 2. PassThru 모드를 적용한 벅-부스트 컨버터 회로 다이어그램

LT8210의 PassThru 모드가 어떻게 동작하는지에 관해서는 LT8210의데이터 시트 나 해당 데모 보드의 효율 프로파일을 참고할 수 있다. 그림 3은 DC2814A-A 데모 보드를 4V ~ 24V 입력 전압과 10% ~ 80% 부하로 스윕했을 때의 효율 프로파일을 보여준다. LT8210을 채택한 이 데모 보드는 4V ~ 40V의 입력 전압으로 동작하고, 3A의 최대 부하 전류로 8V ~ 16V의 출력 전압을 제공한다. PassThru 모드로 동작하면, 벅-부스트 동작과 비교할 때, 중부하에서는 최대 5%까지, 그리고 10% 전류 부하 같은 경부하에서는 최대 17%까지 효율을 향상할 수 있다. 그러므로 특히 경부하 동작 조건일 때 PassThru 모드가 상당한 향상을 나타낸다는 것을 알 수 있다.

LT8210의 PassThru 모드는 벅 출력 전압으로부터 다른 부스트 출력 전압을 설정할 수 있는데, 입력 전압이 출력 전압 설정 부근일 때는 벅-부스트 구간이 나타난다. LT8210에서 존재하는 이러한 벅-부스트 구간은 단일 인덕터 전류 레귤레이션과 관련해서 벅 제어 구간과 부스트 제어 구간의 교차로 인하여 발생하는 것이다.

Figure 3. DC2814A-A efficiency profile.
그림 3. DC2814A-A의 효율 프로파일

PassThru 모드의 적용했을 때 효과를 이해하기 위해 그림 4의 시스템을 보자. 이 그림에서 4-스위치 벅-부스트 컨버터는 모터 드라이버로 사용된 POL(point-of-load) 컨버터에 대한 프리레귤레이터(preregulator)로 사용된다. 전원 소스는 24V 수퍼커패시터이고, DC 모터는 9V/0.3A의 입력을 필요로 한다. 이 벅-부스트 컨버터는 PassThru 모드를 사용하거나, 아니면 연속 전도 모드(CCM)로 통상적인 4-스위치 벅-부스트 제어를 사용할 수 있다. 통상적인 벅-부스트 제어는 PassThru 모드는 사용하지 않고 오직 벅, 부스트, 벅-부스트 동작만을 사용한다(그림 5).

PassThru 모드를 사용하는 시스템은 부스트 출력 전압은 12V로 설정하고 벅 출력 전압은 27V로 설정했다. 그럼으로써 수퍼커패시터의 시작 전압이 통과 대역 범위 안에 있도록 한다.5 그러므로 이 시스템은 24V부터 12V까지의 수퍼커패시터 전압으로 PassThru 모드로 동작한다. 이 동안에는 효율이 99.9%에 이른다. 그러다 컨버터가 벅-부스트 모드가 되면서 효율이 떨어지고 이어서 부스트 모드가 된다. 반면에 통상적인 벅-부스트 제어로 동작하는 시스템은 16V의 고정된 출력 전압으로 동작하도록 설정했다. 이는 출력 전압을 통과 대역 범위의 대략적인 중간 지점으로 설정하고자 한 것이다.

Figure 4. Supercapacitor-powered motor block diagram.
그림 4. 수퍼커패시터로 구동되는 모터의 블록 다이어그램
Figure 5. Efficiency comparison of a PassThru enabled system vs. a conventional CCM operated buck-boost converter.
그림 5. PassThru 모드를 적용한 시스템과 CCM으로 동작하는 통상적인 벅-부스트 컨버터의 효율 비교

그림 5는 전압을 2.7W에서 4V부터 24V까지 스윕했을 때 두 가지 벅-부스트 컨버터의 효율을 비교해서 보여준다. PassThru 모드가 통상적 방식의 시스템에 비해 효율을 22%에서 27%까지 향상한다는 것을 알 수 있다. 두 시스템의 차이를 더 알아보기 위해 ITECH의 IT6010C-80-300의 배터리 에뮬레이터 기능을 사용해서 두 시스템을 테스트했다. 다음과 같은 설정을 사용해서 최소한 120초의 런 타임으로 수퍼커패시터 응답을 에뮬레이트했다: 시작 전압 24V, 끝 전압 0V, 전하 0.005Ah, 내부 저항 0.01mΩ. 그림 6은 두 시스템의 파형을 보여준다. 채널 1은 배터리 에뮬레이터 전압이고, 채널 2는 모터 전압, 채널 3은 모터 전류이다. PassThru를 적용한 시스템은 224초 동안 동작하는데, 통상적 방식의 시스템은 150초 동안만 동작했다. 그러므로 PassThru 모드를 적용한 시스템에서 동작 시간이 49% 늘어나는 것을 확인할 수 있다.

Figure 6. Total operating time of the supercapacitor-powered motor.
그림 6. 수퍼커패시터로 구동되는 모터의 총 동작 시간

PassThru 모드를 적용한 시스템을 더 효율적으로 만드는 몇 가지 요인들로 다음과 같은 것들이 있다:


맺음말

PassThru 기술은 수퍼커패시터로 구동되는 디바이스에서 최적의 성능을 달성하도록 하는 중요한 요소이다. PassThru 모드를 지원하는 LT8210 동기 벅-부스트 컨트롤러를 사용하면 수퍼커패시터로 구동되는 디바이스의 효율을 통상적 방식의 시스템(CCM으로 동작하는 벅-부스트)보다 크게 향상할 수 있다. 이 글에서는 PassThru 모드가 27%의 효율 향상을 가능하게 하고 에너지 저장 시스템의 동작 시간을 49%까지 연장한다는 것을 확인할 수 있었다.

참고문헌

1David Megaw. “Protecting and Powering Automotive Electronics Systems with No Switching Noise and 99.9% Efficiency.”Analog Dialogue, Vol. 54, No. 1, February 2020.

2Frederik Dostal. “PassThru of a Voltage Using Buck-Boost Regulators.” Analog Devices, Inc., November 2021.

3Srdjan M. Lukic, Jian Cao, Ramesh C. Bansal, Fernando Rodriguez, and Ali Emadi. “Energy Storage Systems for Automotive Applications.” IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 55, No. 6, June 2008.

4“Supercapacitors Could Be Key to a Green Energy Future.” National Science Foundation, July 2008.

5Satyaki Mukherjee, Alihossein Sepahvand, Vahid Yousefzadeh, Montu Doshi, and Dragon Maksimović. “A Two-Stage Multiple-Output Automotive LED Driver Architecture.” 2020 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), October 2020.


저자 소개

브라이언 안젤로 보레스(Bryan Angelo Borres)는 2022년 10월에 MMP-East의 제품 애플리케이션 엔지니어로 ADI에 입사했다. 필리핀 마푸아 대학에서 전력 전자공학을 전공으로 대학원 과정을 졸업했다. 스위치 모드 전원장치 설계 연구개발 분야에서 4년 넘게 경험을 쌓고 있다.


앤서니 세르퀴나(Anthony Serquiña)는 아나로그디바이스(필리핀)의 스태프 제품 애플리케이션 개발 엔지니어이다. 필리핀 바기오 시티에 위치한 세인트 루이스 대학에서 전자공학 및 통신공학 학사학위를 취득했다. 전원 관리 IC 개발과 AC-DC 및 DC-DC 프론트 엔드 전원 변환을 비롯해서 전력 전자공학 분야에서 15년 이상 경험을 쌓고 있다. 2018년 11월에 ADI에 입사했으며, 현재는 산업용 애플리케이션의 전원 관리를 맡고 있다. ADI의 신호 체인 전원(SCP) 하드웨어 및 소프트웨어 플랫폼 개발에 참여해서 중요한 역할을 했다.