ROHM, SiC 파워 디바이스 2020년부터 본격화

도쿄서 고품질 탑승자 맞춤 오디오 IC 등 공개

2017년 03월호 지면기사  /  글│한 상 민 기자 _ han@autoelectronics.co.kr

 

Automotive World 2017에서 로옴이 SiC 파워 디바이스, 기능안전성 대응 차세대 인포테인먼트용 칩셋, 고음질 오디오 디바이스 등 핵심 제품을 집중적으로 소개했다. 온보드 차저에 적용되고 있는 SiC 디바이스는 2020년부터 본격적으로 전기차 컴포넌트에 적용될 전망이다.

 

 

최고의 오디오 품질
탑승자 맞춤 사운드


로옴의 타쿠미 푸루카와(Takumi Furukawa) 씨가 몇 개의 스피커 앞에서 팝송을 플레이하는 동안 구레 하루토시(Kure Harutoshi) 과장과 함께 이를 무심코 들었다. 시끌벅적한 전시장에서 만난 아름다운 음성의 청량함이었다.
구레 과장이 물었다. “어떻게 소리가 다르게 들리시나요?”

첫 번째는 디지털 사운드, 두 번째는 아날로그 사운드, 세 번째는 로옴의 새 차량용 사운드 프로세서를 적용한 디지털 사운드였다. 곰곰이 생각해보니 첫 번째는 플로어 노이즈를 포함해 일반적인 오디오에서 들었던 잡음이 있었고, 두 번째는 깨끗했으며, 맨 마지막은 최상의 음질을 들려줬다.

설명에 따르면, 로옴은 갈수록 고음질을 추구하는 자동차 오디오용으로 오디오의 음량 조정, 음성 믹싱을 실행하는 사운드 프로세서 BD34602FS-M을 개발했다. 「BD34602FS-M」은 최근 5년 간 누계 출하 실적 1억 2,000만 개 이상의 로옴 사운드 프로세서 중에서도 차량용 오디오에 요구되는 특성, 고음질에 포커스해 독자적인 음질 설계 기술을 도입한 제품이다.




“특징을 매우 간단히 말한다면, 아날로그 사운드와 달리 일반적인 디지털 사운드에는 잡음이 존재하는데, IC를 사용해 노이즈를 크게 줄여 고음질의 사운드를 만든 것입니다.”
구레 과장이 말했다.

엔진 소음이 없는 전기차의 등장, 방음대책이 향상된 요즘의 차들로 인한 자동차의 정음화, 고해상도 오디오 음원 보급은 차량용 오디오에서도 음원이 지닌 정보량을 정확히 표현해내는 기능을 크게 요구하고 있는 한편, 차량용 오디오의 코어인 오디오용 SoC는 제조 프로세스의 미세화에 따른 저전압화로 인해 처리하는 오디오 신호가 작아져 상대적으로 플로어 노이즈가 증가하는 문제를 갖고 있다. 이런 이슈를 해결하기 위해 SoC의 후단에 저잡음 및 고음질의 아날로그 볼륨이 요구됐다.




타쿠미는 “우리는 독자적인 음질 설계 기술을 도입했는데, IC의 음질에 영향을 미치는 회로 구성, 전기적 특성을 중심으로 28개의 독자적인 파라미터를 최적화해, 음량 조정 시 음원의 정보량을 최대화했습니다. 또 차량용 오디오에 요구되는 차량 내부의 음상(음원의 위치, 거리감)을 정확하게 표현하는 데에도 성공했습니다”라고 말했다.

음상을 표현한다는 것은, 스피커로부터 청취자의 거리가 가까우면 소리를 시간적으로 조금 늦게 보냄으로써 모든 스피커에서의 사운드가 똑같이 들리는 최상의 사운드를 제공한다는 말이다.

“승객의 위치에 따라 사운드를 맞춤화 해주는 메뉴를 지닌 차량이 향후 등장할 것이고 이런 기능을 사용할 것입니다. 예를 들어 운전자만 음악을 들으며 주행하는 차에서 스티어링 휠이 있는 좌측의 사운드를 조금 늦게 줌으로써 우측 사운드와 같게 해주는 식입니다.”

로옴의 고음질 실현에는 낮은 노이즈 특성이 중요하다. 이는 IC의 중점 바이어스 회로의 노이즈를 약 20% 저감, 볼륨 회로에서 발생하는 저역 노이즈를 최대 1/10로 저감, 신호 간 간섭을 억제하는 레아이웃 방법으로 Transient 특성을 개선해 음상 향상, 해상도(음의 명료도) 향상 등 노이즈를 줄이고 음원이 지닌 정보량을 최대화하는 음질 설계에 있다. 그 결과 로옴은 차량 오디오용 사운드 프로세서에서 업계 최고 수준의 저왜율 0.0004%와 볼륨 감쇠 시의 플로어 노이즈 3.1 μVrms를 달성했다.

 



차세대 대시보드 위한 기능안전성 칩셋


자리를 옮겨, 차세대 인포테인먼트 부문에서는 LCD 패널용 칩셋의 설명이 집중적으로 이뤄졌다.
구레 과장은 “이것은 HD/FHD LCD 패널을 구동하는 게이트 드라이버, 소스 드라이버, 타이밍 컨트롤러(T-CON)와 이를 최적으로 동작시키는 전원 IC(PMIC), 감마 보정 IC로 구성된 칩셋입니다. 각 IC가 정보를 수시로 공유함으로써 세계 최초로 LCD 패널용 디바이스에 ISO 26262 등의 기능안전성, 리던던시를 도입한 자동차의 높은 품질 요구에 대응한 제품입니다”라고 설명했다.

인스트루먼트 패널의 디지털화, 센터 디스플레이의 대형화 등 운전석에 디스플레이의 채용 수, 크기가 커지고, 표시 정보량이 늘어나면서 에러, 불량 등에 대한 기능안전성이 매우 중요해졌다. 또 패널 대형화, 고정밀화를 실현하기 위해 LCD 패널 구동 드라이버, 컨트롤러의 다채널화가 요구되고, 시스템 구축과 동작 검증이 어려워지면서 이에 대한 칩셋 공급 요구가 높아졌다.

타쿠미는 “후방 카메라는 물론 디지털 미러 등이 운전석에 들어오면서 이상 상태가 발생하면 큰 사고로 이어질 수 있기 때문에 사고를 방지하기 위한 기능안전성이 요구되고 있습니다. 로옴의 칩셋을 구성하는 각 IC에는 예상되는 고장 모드를 상호 검출하기 위한 기능이 탑재돼 있어 LCD 드라이버의 파괴 및 박리, LCD로의 입력신호 등의 정보를 수시로 확인하고 피드백해 패널의 이상 상태를 검출할 수 있습니다”라고 덧붙였다.

“이런 패널에는 대개 게이트 드라이버, 소스 드라이버가 4개씩 들어가는데, 하나가 고장 나면 한쪽 화면이 안 나오는 식의 불량이 발생합니다. 이런 고장의 경우에도 예를 들어 로옴은 화면은 작아지지만 본래의 화면이 다 보여질 수 있는 식으로 기능안전성을 구현합니다.”
구레 과장이 말했다.

 


 


SiC 디바이스 양산


사실, 구레 과장 일행이 최초 소개한 제품은 하이브리드 카와 전기차를 위한 실리콘 카바이드(SiC) 파워 디바이스였다. SiC 파워 디바이스는 기존의 실리콘(Si) 파워 디바이스에 비해 극적인 저손실화를 실현해 전기차를 비롯해 인프라, 환경/에너지, 산업기기 분야에서 큰 기대를 모으고 있는 반도체다. 여기서 로옴은 2010년 세계 최초로 SiC MOSFET 양산을 개시하는 등 SiC 파워 디바이스 부문 선두기업으로 자리매김하고 있다. 예를 들어 SiC 디바이스는 로옴을 비롯해 인피니언, ST 등 3개사 정도만 하고 있는데, 로옴은 이미 전기차 급속충전용 온보드 차저(OBC)에서 압도적인 시장 점유율을 자랑하면서 현재 전기차 모터와 인버터에서의 채택을 가속화하고 있다.

“아직까지 SiC를 이용한 티어1 등의 모듈화 기술 문제로 일반적인 전기차에 SiC 인버터 양산 적용은 없는 상황이지만, 토요타의 발표도 있었던 것처럼 2020년 이후부터 SiC 채택이 크게 늘 것으로 기대하고 있습니다. 브랜드를 말할 수는 없지만 유럽과 일본 전기차의 온보드 차저에 로옴의 SiC 쇼트키 배리어 다이오드가 사용되고 있고, 일반 전기차 컴포넌트에 대한 SiC 디바이스도 양산을 개시했습니다.” 구레 과장이 말했다.

SiC 파워 디바이스를 홍보하는 월(wall)은 완벽히 FIA 포뮬러 E 선수권에 참전하는 벤츄리 포뮬러 E팀(Venturi Formula E Team)과의 기술 파트너십에 대한 것이었다. 지난해 10월 개막한 시즌 3부터 머신 구동의 중핵인 인버터에 로옴의 SiC 파워 디바이스를 제공해 머신의 소형, 경량화, 고효율화를 지원하고 있고 그 홍보효과를 노리고 있다.

“포뮬러 E는 대도시에서 펼쳐지기 때문에 접근성이 높고 인기가 많아 로옴이 투자를 결정했습니다. 포뮬러 E 레이싱 머신에서 로옴 제품의 품질과 효율이 증명돼 향후 일반 하이브리드 카와 전기차에서 SiC 파워 디바이스가 더 많이 활용되길 기대하고 있습니다.”

지난해 로옴은 포뮬러 E에 출전하는 벤츄리와 협력해 SiC 쇼트키 배리어 다이오드를 사용한 SiC 인버터를 만들었다. 포뮬러 E에서는 특히 파워 매니지먼트 능력이 머신의 퍼포먼스와 성적에 있어 매우 중요하다. 배터리에 축적된 전력을 얼마나 효율적으로 활용하는가가 승패를 좌우하기 때문이다. 벤츄리는 로옴의 SiC 다이오드를 인버터 부분에 탑재함으로써 시즌 2에서 사용한 인버터 대비 효율을 1.7% 개선했고 2 kg 소형화했다. 또 방열계의 소형·경량화를 통해 인버터 체적을 30% 소형화했다. 로옴의 SiC 쇼트키 다이오드는 낮은 스위칭 손실, 순방향 전압 특성을 지닌 제품으로 IGBT와 비교해 스위칭 손실을 73% 줄일 수 있다.

“SiC를 사용하면 효율을 높이고 크기를 줄일 수 있는데, 예를 들어 2%란 효율 향상이 적게 느껴질 수 있지만 자동차에서는 상당한 수치입니다.”

벤츄리 머신은 다음의 시즌 4에서 SiC 다이오드와 함께 SiC MOSFET도 인버터에 적용할 예정이어 더 극적인 개선이 가능할 전망이다.

타쿠미는 “시즌 3가 아닌 시즌 4에서 SiC MOSFET을 도입하는 이유는 SiC 다이오드의 경우 기존 디바이스와 병행해 쓰기 쉽지만 SiC MOSFET을 사용하는 데에는 여러 기술 노하우가 요구되고 쉽지 않기 때문에 시즌 3에서 바로 적용할 수 없었기 때문이었습니다”라고 설명했다.

모터스포츠의 성적은 드라이버의 스킬도 중요하지만 머신의 성능이 큰 몫을 차지하는데, 로옴과 협력을 통한 SiC 인버터 적용 때문인지 1월 현재 벤츄리 팀의 성적은 크게 향상돼 있다.

타쿠미는 “포뮬러 E에는 10개 팀, 팀당 2명의 드라이버가 출전하는데, 시즌 2에서 1명만 10위 내에 진입시켰던 벤츄리는 로옴의 SiC 인버터를 채택한 현 시즌에서 2명 모두를 10위권 내에 포진시키고 있습니다”라고 자랑했다.

1,000 V를 넘는 내압 MOSFET 디바이스는 실리콘 반도체로는 도통 손실이 낮은 디바이스를 제작하기 어렵지만 로옴의 SiC 반도체로는 가능하다. 또 Si IGBT에 비해 스위칭 손실이 1/5 정도여서 구동 주파수의 고주파화를 통한 기기의 소형화, 전력 변환 효율 향상을 기대할 수 있다. 현재 로옴은 차세대 SiC-MOSFET 디바이스를 개발해 기존 양산 SiC-MOSFET에 비해 동일 소자 사이즈의 경우 도통 손실(ON 저항 약 50% 삭감) 저감, 스위칭 성능(입력 용량 약 35% 저감) 향상을 실현했다.

 

로옴은 독자적인 더블 Trench 구조를 채용함으로써 게이트 구조 저부의 전계 집중을 완화할 수 있어 Trench 구조를 채용한 SiC-MOSFET의 양산화에 성공했다.


 

 

마지막으로 부스 전면 우측에 위치한, 로옴의 디바이스 기술을 활용한 시뮬레이션 데모 카를 탔다. 블루투스 스마트 엔트리 기능을 이용해 도어를 열고 운전석에 앉으면 스마트 엔트리 대응 자동 틸트 스티어링이 자리를 잡았다. 무선충전 패드 위에 폰을 두고 휠을 잡으면 휠에 임베디드된 센서가 맥박을 측정해 센터 디스플레이에 표시해줬다. 콕핏에는 승객 모니터링, 승객 감지 기술 등 운전자 모니터링 기술, 미러리스, 백 모니터 등 운전자 지원 기술, 그리고 ADB/시퀀셜 턴 LED 램프 등의 최신 기술이 장착돼 있었다. 모두 로옴의 반도체 기술이 근간이다.  

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