회생제동 시 DC-DC 컨버터 스위칭 트랜지스터 온저항(Rds(on)) 변화가 충전 효율에 미치는 영향

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회생제동 시 DC-DC 컨버터 스위칭 트랜지스터 온저항(Rds(on)) 변화가 충전 효율에 미치는 영향

전기차 회생제동 시스템에서 DC-DC 컨버터는 감속 과정에서 발생한 전력을 배터리에 재충전하는 핵심 장치다.
이 과정에서 스위칭 트랜지스터의 온저항(Rds(on)) 변화는 충전 효율을 결정하는 중요한 요인으로 꼽히고 있다.
특히 회생제동은 짧은 시간에 높은 전력이 흐르는 특성이 있어, 온저항의 미세한 증가만으로도 전력 손실이 즉각적으로 확대되는 문제가 발생한다.
업계에서는 트랜지스터 온저항 변화가 실제 충전 효율에 어떤 영향을 주는지 지속적으로 분석하고 있으며, 고효율 EV 설계의 중요한 기술 과제로 다뤄지고 있다.

목차

  1. 회생제동과 DC-DC 컨버터의 역할
  2. 스위칭 트랜지스터 온저항(Rds(on))의 물리적 특성
  3. Rds(on) 증가가 충전 손실을 유발하는 메커니즘
  4. 회생제동 고전류 환경에서 나타나는 효율 저하 패턴
  5. 설계·운용 단계의 효율 개선 전략

회생제동과 DC-DC 컨버터의 역할

회생제동은 모터가 발전기 모드로 전환되며 생성된 전기를 배터리에 충전하는 시스템이다.
이때 고전압 버스로 유입되는 에너지를 배터리 충전에 적합한 형태로 변환하기 위해 DC-DC 컨버터가 동작하게 된다.
컨버터 내부 스위칭 트랜지스터는 전력 변환 과정에서 빠른 스위칭과 안정적인 온저항 특성을 요구받으며,
트랜지스터의 손실 특성은 회생제동 전체 효율에 직접적인 영향을 준다.

스위칭 트랜지스터 온저항(Rds(on))의 물리적 특성

Rds(on)은 트랜지스터가 ‘온(On)’ 상태일 때 드레인-소스 사이에 존재하는 저항값을 의미한다.
이값이 낮을수록 전력 손실이 적고, 컨버터 효율이 높아진다.
하지만 Rds(on)은 온도에 따라 증가하는 특성을 갖고 있다.

EV 회생제동에서는

  • 고전류 유입
  • 짧은 시간의 반복 스위칭
  • 고온 환경
    이 겹치면서 스위칭 디바이스 온도가 급격히 상승하고,
    그 결과 Rds(on)도 시간에 따라 변화하게 된다.

Rds(on) 증가가 충전 손실을 유발하는 메커니즘

트랜지스터의 온저항이 증가하면 전력 손실은 다음 공식에 의해 증가한다.

P_loss = I² × Rds(on)

즉, 회생제동처럼 순간적으로 높은 전류가 흐르는 상황에서는
온저항이 소량 증가하더라도 손실 전력이 크게 확대된다.

온저항 증가 시 주요 영향은 다음과 같다.

  • 배터리로 전달되는 전력량 감소
  • 컨버터 내부 열 발생량 증가
  • 온저항이 다시 증가하는 악순환 발생
  • 장기적으로 컨버터 부품 열화 가속

결과적으로 스위칭 트랜지스터의 온저항 변화는 회생제동 효율을 떨어뜨리는 직접적 원인으로 작용한다.

회생제동 고전류 환경에서 나타나는 효율 저하 패턴

실차 테스트와 실험에서는 다음과 같은 패턴이 나타났다.

  1. 저속 감속 시
    비교적 낮은 전류로 인해 Rds(on) 증가가 크지 않아 효율 변화가 미미하다.
  2. 중·고속 감속 시(전류 피크 구간)
    스위칭 소자 온도가 빠르게 상승하며 Rds(on)이 증가
    전력손실이 일정 구간에서 급증
    → 회생제동 효율이 3~7% 감소하는 사례 확인
  3. 연속 회생제동 상황
    열이 누적되며 온저항이 계속 증가
    → 스위칭 회로 온도 상승
    → 내부 냉각 부하 증가
    → 전체 충전 효율이 지속적으로 저하

특히 고온 지역이나 산악 도로처럼 회생제동 빈도가 높은 환경에서는
온저항 증가가 더 빠르게 누적되어 충전 효율 저하가 두드러졌다.

설계·운용 단계의 효율 개선 전략

온저항 변화를 최소화하기 위해 전기차 제조사들은 다양한 기술적 노력을 기울이고 있다.

  1. 온저항이 낮은 MOSFET·SiC 트랜지스터 채택
    SiC 스위치의 경우 고온에서도 온저항 증가율이 낮아 회생제동 효율에 유리하다.
  2. 컨버터 열관리 시스템 강화
    방열판 구조 개선, 열전도 패드 적용, 냉각 채널 최적화 등을 통해
    스위칭 소자 온도 상승을 최소화한다.
  3. 스위칭 주파수 최적화
    스위칭 손실과 전도 손실 간 균형을 맞춰
    온저항 증가의 영향을 줄이는 설계가 사용된다.
  4. 회생제동 로직 개선
    고온 상태에서는 회생 제동 전류 피크를 자동으로 제한하여
    효율 저하와 부품 스트레스를 동시에 줄인다.
  5. 고전압 배터리 온도 관리 강화
    배터리 온도를 안정적으로 유지하면 전체 DC-DC 경로의 손실을 줄일 수 있어
    회생제동 효율에도 긍정적 효과가 나타난다.

마무리

회생제동 시 DC-DC 컨버터의 스위칭 트랜지스터 온저항(Rds(on)) 변화는
전기차 충전 효율에 직접적인 영향을 주는 핵심 기술 요소로 평가된다.
특히 고전류가 집중되는 회생제동 구간에서는 온저항 증가가 즉각적인 손실로 이어지며,
장기적으로는 컨버터 내구성에도 부담을 줄 수 있다.
결국 안정적인 회생제동 효율을 확보하기 위해서는
스위칭 소자의 온저항 특성, 열 관리, 충전 로직 최적화 등이 모두 종합적으로 고려돼야 한다.
전기차 효율 향상의 경쟁이 치열해지는 가운데,
온저항 관리 기술은 향후 더욱 중요한 연구 분야로 자리 잡을 전망이다.