자동차에서 고효율, 고성능 SiC 전력반도체 활용

메인 인버터, 온보드 차저, DC/DC 컨버터 등 전기차 서브시스템에 적합

2018년 05월호 지면기사  /  글│ 로랑 부레노트(Laurent Beaurenaut), 인피니언 테크놀로지스 전기 드라이브트레인 수석엔지니어

하이브리드카나 전기차는 상당한 양의 전력반도체를 사용한다. 현재는 이러한 전력 소자 대부분이 Si 기반이다. 하지만 실리콘이 점점 한계에 도달함에 따라 SiC가 대안으로 부상하고 있다. SiC를 사용함으로써 신뢰성이나 경제성 측면에서 이전의 한계를 거의 극복할 수 있게 됐다. 이제는 SiC 기술이 무르익음으로써 자동차에도 활용할 수 있게 됐다.


자동차의 전기화(Electrification)는 계속되고 있다. 플러그인하이브리드카나 완전 전기차(xEV)는 매우 효율적인 전력반도체를 필요로 한다. 전통적인 실리콘(Si) 칩에 비해서 많은 이점을 제공하는 실리콘카바이드(SiC)는 산업용 애플리케이션뿐만 아니라, 이제 자동차에도 활용할 수 있게 됐다. SiC는 효율과 전력 밀도가 우수하므로 배터리를 소형화하고, 시스템 크기와 무게를 줄이고, 더 빠르게 충전할 수 있으며, 궁극적으로 전기차 확산을 가속화할 것이다. 기술의 발전으로 SiC 반도체는 xEV 서브시스템에 점점 더 많이 사용될 것이다.

현재 전력 모듈과 디스크리트 솔루션은 주로 실리콘 기반 다이오드, MOSFET, IGBT를 사용한다. 이와 비교해, xEV 드라이브트레인에 SiC 회로를 사용하면 동일한 전력 정격으로 칩 크기를 훨씬 줄일 수 있다. 또한 SiC 기술을 사용하면 열 손실을 낮출 수 있다. 그러므로 이전 시스템과 비교해서 더 효율적이고, 더 가볍고, 더 콤팩트한 애플리케이션을 달성할 수 있다. SiC가 적합한 대표적인 애플리케이션으로는 메인 인버터, 온보드 차저, 부스터, DC/DC 컨버터 등을 들 수 있다(그림 1).



SiC, 이제 자동차에도 활용


지난 20년 넘게 SiC 반도체는 다양한 애플리케이션에 사용돼 왔다. 하지만 자동차에 활용하기에는 몇 가지 극복해야 할 과제가 있었다. 이 신기술을 자동차에도 효과적으로 활용하기 위해서는 두 가지 측면을 충족해야 했다. 높은 신뢰성과 경제성이다.

SiC MOSFET 스위치의 경우에, 지난 몇 년 간 가장 큰 걸림돌은 신뢰할 수 있는 게이트산화막을 개발하는 것이었다. 최근 들어 디자인(트렌치 기법 등)과 제조 공정이 혁신적으로 발전함에 따라 이들 디바이스는 자동차 업계가 요구하는 신뢰성 수준을 달성할 수 있게 됐다.

또한 SiC는 베이스 소재 제조(웨이퍼)가 훨씬 더 복잡하므로 제조할 수 있는 웨이퍼 직경이 더 작으며(그림 2), 웨이퍼 당 더 많은 결함을 발생시킬 수 있고, 비용이 더 많이 든다. 실리콘 결정은 높은 순도로 성장시킬 수 있는 것과 비교해서, SiC 웨이퍼는 결함 밀도가 중요한 해결 과제였다. 하지만 최근 몇 년 사이에 기술이 크게 발전함으로써 결함 밀도를 현저히 낮출 수 있게 됐다. 그럼으로써 더 넓은 칩 면적이 가능하게 되었고 전력 패키지로 수월하게 집적할 수 있게 됐다.



과거에는 대부분 SiC 회사들이 소규모 전문 반도체 회사였으며 비교적 소량만을 생산했다. 또한 자동차 분야의 경험이 많지 않았다. 그러므로 규모의 경제가 이루어지지 않았다.

이제 이러한 상황이 완전히 바뀌고 있다. 고품질 6인치 웨이퍼가 가능함으로써 생산성이 크게 향상됐다. 또한 자동차 시장에서 SiC의 성장 잠재력을 인식한 주요 반도체 회사들이 이 시장으로 진출하고 있다.

손실 2/3 감소

기존 실리콘 기반 고전압 IGBT나 MOSFET(600V 이상)과 비교해서 SiC 디바이스는 여러 가지 이점을 제공한다. 예를 들어 IGBT와 비교해서 SiC MOSFET은 트레일 효과(trail effect)를 일으키지 않으며 순방향 회복(forward recovery)이나 역방향 회복(reverse recovery)을 거의 필요로 하지 않는다. 그러므로 스위칭 손실이 실리콘에 비해서 훨씬 낮을 뿐만 아니라 온도에 대해서 종속적이지 않다(그림 3a).

SiC 쇼트키 다이오드도 마찬가지다. 높은 스위칭 속도와 극히 낮은 역복구전하(Qrr)가 스위칭 손실을 낮춘다. 그러므로 최종 제품의 크기를 효과적으로 줄일 수 있다. SiC 쇼트키 다이오드는 온보드 차저 시스템의 역률 보정(Power Factor Correction, PFC) 회로 등에 사용하기에 적합하다.

스위칭 손실이 적다는 점 이외에도, SiC MOSFET은 전도 손실 측면에서도 유리하다. 실제로 IGBT는 다이오드적인 특성을 나타내는 것에 반해서, SiC MOSFET은 저항과 유사한 출력 특성을 나타낸다. 이러한 한계 없는 온 상태(on-state) 특성에 의해서 부분 부하(partial load) 범위로 전도 손실을 감소시킨다(그림 3b).



SiC MOSFET의 이러한 이점은 온보드 차저나 DC/DC 컨버터에 적합하다. 높은 스위칭 주파수 덕에 더 작은 크기의 수동소자를 사용할 수 있기 때문이다. 20kHz 아래의 스위칭 주파수가 일반적인 인버터 애플리케이션에도 적합하다. 인버터 애플리케이션은 주로 부분 부하일 때의 동작에 의해서 효율이 결정된다. SiC MOSFET은 인버터의 평균 열손실을 최대 2/3까지 감소시킨다.

최적화된 패키징 기술

SiC 칩의 성능을 최대한 활용하기 위해서 전력 모듈은 그에 맞는 최적화된 패키지 기술을 필요로 한다. 더 높은 전력 밀도 때문에 향상된 패키징 소재를 필요로 할 뿐만 아니라, 더 작은 칩으로 더 높은 열 저항 때문에 더 높은 열-기계적 스트레스를 발생시킨다는 점을 고려해야 한다. 또한 SiC MOSFET의 빠른 스위칭 능력을 최대한 활용하기 위해서는 기생 인덕턴스가 낮은 패키지를 필요로 한다. 그러기 위해서는 전력 모듈에 적합한 새로운 패키징 기술을 필요로 한다.

양면 냉각이 가능한 최신 패키징 기술을 활용함으로써 이들 디바이스의 열저항을 최적화할 수 있다. 인피니언 HybridPACK™ DSC(double-sided cooling) 전력 모듈이 바로 그러한 제품이다. 이 모듈 제품은 효율적인 양면 열 소산을 적용함으로써 시스템 차원에서 열저항 Rth를 크게 낮출 수 있다(그림 4). 그러므로 지극히 전력 밀도가 우수한 인버터를 설계할 수 있다.



큰 폭의 비용 절감


SiC MOSFET은 극히 콤팩트하면서 효율적인 인버터를 설계할 수 있다. 이 점은 프라운호퍼 통합 시스템 및 소자 기술 연구소(IISB)의 “자동차 인버터 애플리케이션에서 인피니언 SiC MOSFET의 잠재력 평가”라고 하는 조사에서도 확인됐다. 동일 조건일 때, SiC MOSFET은 IGBT 기반 인버터에 비해서 칩 면적을 훨씬 줄일 수 있는 것으로 나타났다. 칩 손실을 낮춤으로써, 특히 반복적으로 변속을 해야 하는 도심 교통 상황을 비롯한 각기 다른 구동 시나리오에서 효율을 3% 이상 향상시키는 것으로 나타났다(표 1).



인버터 효율과 관련해서, 에너지가 두 방향으로 흐른다는 점을 고려해야 한다. 토크를 발생시킬 때는 배터리에서 바퀴로 흐르고, 에너지를 회수할 때는 다시 바퀴에서 배터리로 흐른다. 배터리로 작동되는 완전 전기차에서는 인버터 효율이 매우 중요하다. 인버터 효율은 달성 가능한 주행 거리와 특정한 거리를 주행하기 위해서 필요한 배터리 크기에 직접적으로 영향을 미친다. 배터리는 전기차에서 중요한 비용 요인이므로, 배터리 셀을 5%~10% 줄일 수 있다면 출력이 40kWh 이상인 배터리 시스템으로 비용을 상당히 낮출 수 있다.

실리콘은 SiC처럼 효율적으로 높은 항복 전기장 강도(high breakdown field strengths)를 지원하지 못한다. 표준 1,200V IGBT는 600V 대의 IGBT보다 손실이 훨씬 크다. 반면에 1,200V SiC MOSFET은 850V 대의 높은 배터리 전압으로 매우 효율적으로 동작한다. 그러므로 SiC는 고속 충전 애플리케이션을 가능하게 하는 아키텍처에 매우 적합하다. 충전소 인프라가 점점 갖춰짐에 따라서, 앞으로는 80kWh 배터리를 단 15분만에 80%까지 충전할 수 있게 될 것이다. 그러면 전기차 도입에 있어서 가장 큰 걸림돌을 제거하게 될 것이다.

경쟁력 갖춘 SiC

SiC 소재는 실리콘보다 가격이 비싼 대신에, 전력 밀도를 크게 높일 수 있다. 그러므로 특정한 전력 요구량에 대해서 반도체 양을 1/5로 줄일 수 있다. 인피니언은 처음부터 150mm 웨이퍼로 트렌치 기반 SiC MOSFET을 생산하고 있다. 더 콤팩트한 디자인을 달성할 수 있고, 냉각을 줄일 수 있고, 시스템을 경량화하고, 높은 효율을 달성하는 등 시스템 차원에서의 이점 덕분에 SiC는 이미 경쟁력을 갖추고 있다.

많은 시스템 협력사(1차 협력사)와 자동차 회사들(OEM)이 SiC를 사용한 개발을 하고 있다. 인피니언은 1200V CoolSiC™ MOSFET 같은 제품을 통해서 새로운 차원의 효율과 성능을 제공하고자 한다. 전력 모듈 제품인 HybridPACK™ Drive CoolSiC(그림 5)을 사용한 연구결과를 보면, 850V로 200kW 이상 전력을 제공하는 콤팩트한 인버터를 설계할 수 있는 것으로 나타났다.



인피니언은 혁신적인 패키징 기술 및 게이트 드라이버와 함께 다양한 유형의 실리콘 및 와이드밴드갭 전력반도체 제품을 제공한다. 인피니언은 25년 넘게 태양광 인버터, 풍력발전, 산업용 애플리케이션용으로 SiC 솔루션을 개발해 왔다. 이제는 완전 전기차에도 SiC를 활용할 수 있도록 제품을 제공할 것이다.

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