인버터 원리
전기차의 핵심 전력 변환 장치인 인버터는 배터리에서 공급되는 직류 전원을 교류로 변환하여 모터에 적합한 전압과 주파수를 생성하는 역할을 수행한다. 인버터 원리에서는 우선 IGBT나 SiC(실리콘 카바이드) 같은 파워 반도체 소자를 이용해 고속 PWM(Pulse Width Modulation) 스위칭을 통해 직류를 일정한 듀티 비율의 펄스 형태로 분할하고, 이를 LC 필터를 통해 평탄화하여 원하는 파형의 교류 전력을 만든다. 이렇게 생성된 교류는 전기 모터의 회전 속도와 토크를 제어하기 위한 기본 입력 신호가 되며, PWM 주파수, 듀티 비율, 위상 이동 등을 조절함으로써 모터 제어 유닛(MCU)이 지시하는 토크 곡선을 정밀하게 구현할 수 있다. 인버터 원리에서 중요한 것은 스위칭 손실과 전도 손실을 최소화하면서도 스위칭 주파수를 충분히 높여 모터의 소음과 진동을 억제하는 균형점을 찾는 것이다. 이 과정에서 온도 상승을 억제하기 위한 수냉식 히트싱크나 히트파이프 기반 열관리 기술이 적용되며, 패키지 내부의 전자기적 간섭(EMI)을 줄이기 위해 고정밀 쉴딩과 노이즈 필터가 함께 설계된다. 또한, 인버터 내부에는 과전류·과전압 보호, 단락 감지, 과열 차단 같은 보호 회로와 자체 진단 기능이 통합되어 있어 차량 주행 중 발생할 수 있는 비정상 상황에 빠르게 대응하여 시스템 전체의 신뢰성을 확보한다. 인버터 원리는 단순한 전력 변환을 넘어, 전기차 주행 성능과 에너지 효율, 내구성에 결정적 영향을 미치는 핵심 기술로서, 최근에는 800V급 고전압 시스템과 결합하여 더욱 높은 출력 밀도와 충전 속도 향상이 가능해지고 있다.
모터 구동
전기차의 모터 구동은 인버터가 만들어낸 교류 전력을 받아 토크를 생성하고 차량을 움직이게 하는 단계로, 이때 모터 구동 방식과 제어 알고리즘이 주행 성능 및 에너지 효율을 결정짓는다. 대표적인 전기 모터로는 PMSM(Permanent Magnet Synchronous Motor)과 유도형 모터(Induction Motor)가 있으며, PMSM은 영구자석 로터를 사용해 높은 출력 밀도와 우수한 효율 특성을 제공하고, 유도형 모터는 구조가 단순하며 내구성과 비용 경쟁력이 뛰어나다. 모터 구동 시 MCU는 위치 센서 또는 센서리스 알고리즘을 통해 로터 위치를 실시간으로 파악하고, 벡터 제어(Field-Oriented Control) 기법을 통해 d축과 q축 전류를 독립적으로 제어하여 모터 토크와 자속을 정밀하게 조율한다. 이 과정에서 PID 제어, PLL(Phase-Locked Loop), 신경망 기반 적응 제어 등 고급 제어 기법이 활용되며, 특히 고속 및 저속 영역에서 모두 우수한 토크 응답성과 에너지 효율을 확보하기 위해 여러 운전 포인트에서 최적화된 인버터 스위칭 패턴을 적용한다. 모터 구동 과정에서 발생하는 손실은 코어 손실, 동기 손실, 구동 손실로 나뉘며, 이를 줄이기 위해 스테이터와 로터의 설계, 권선 방식, 철심 재질, 윤활 방식 등이 종합적으로 고려된다. 또한 모터 구동 중 발생하는 열은 물 또는 공기 냉각 채널을 통해 효과적으로 방출되어야 하며, 고성능 전기차에서는 모터 하우징 자체에 액냉식 채널을 내장하여 고부하 주행 시에도 온도 상승을 억제한다. 모터 구동은 단순히 회전력을 생성하는 것을 넘어, 제어 유닛과 배터리, 인버터, 차체 안정 제어 시스템과 긴밀히 연동되어 전기차 전체의 주행 안정성과 효율을 보장하는 핵심 역할을 수행한다.
컨버터 역할
전기차 내 전장 시스템과 보조 부품에 안정적인 전압을 공급하기 위한 장치로서 컨버터 역할은 매우 중요하다. 배터리에서 나오는 고전압 DC 전원을 구동용 인버터 이외에도 12V나 48V와 같은 저전압 시스템에도 분배해야 하기 때문에 DC/DC 컨버터가 배터리 전압을 원하는 수준으로 승압 또는 강압하는 역할을 담당한다. 컨버터 역할에서는 스텝다운(강압) 토폴로지인 벅(降圧) 회로와 스텝업(승압) 토폴로지인 부스트(昇압) 회로, 또는 양방향 컨버터가 조합되어 운용된다. 양방향 컨버터는 회생 제동 시 모터가 발전기로 동작하여 생성된 전력을 저전압 배터리 팩으로 회수하고, 운행 중에는 다시 고전압급전망(버스)으로 보내는 기능을 수행함으로써 에너지 효율을 극대화한다. 컨버터 내부에는 고속 스위칭 소자와 함께 전류 센서, 전압 센서가 배치되어 실시간 전력 흐름과 효율을 모니터링하며, 필요에 따라 스위칭 주파수와 듀티 사이클을 동적으로 조정해 손실을 최소화하도록 설계된다. 또한 컨버터 역할에서 나타나는 전력 전자 장치 특유의 발열 문제를 해결하기 위해 히트싱크, 열전도성 인터페이스 소재, 액냉식 냉각 채널 등이 적용되며, 시스템 제어 유닛과의 통신을 통해 냉각 펌프 속도나 팬 구동 상태를 최적화하여 안전 영역 내에서 동작하도록 관리한다. 컨버터 역할은 전기차의 수명 주기 동안 다양한 주행 환경과 온·습도 변화 속에서도 일정한 전압 품질을 유지해야 하므로 전자기적 적합성(EMC) 설계와 보호 기능, 진단 기능이 컨버터 설계의 핵심 요소로 자리잡고 있다.