로옴, 자동차 시장서 존재감 ‘확대’

그룹 내에서 결정 잉곳 제조부터 SiC 디바이스까지 일관 생산

2018년 07월호 지면기사  /  로옴세미컨덕터코리아

세계 각국이 지구온난화의 원인인 이산화탄소(CO2) 배출량 규제를 강화하고 있다. 이에 따라 주행 중 CO2를 배출하지 않는 전기차(EV)에 관심이 집중되고 있다. 이러한 EV 및 HEV의 에너지 효율을 더욱 높이기 위해 자동차 한 대당 탑재되는 전자부품 수가 계속해서 많아지고 있다.

로옴은 2000년대 중반부터 자동차 애플리케이션 시장을 위한 제품을 강화해왔다. 또한 개발에서 생산, 패키징까지 수직통합형 생산 시스템을 갖추고 “고품질 제품의 안정 공급”을 실현했다.

현재 자동차기기용 제품 판매 비율은 전체의 32%(2018년도)이다. 2021년 3월기에는 자동차 분야, 산업기기 분야를 통틀어 50%를 목표로 하고 있다. 그 중에서도 주력하고 있는 분야는 파워트레인, 인포테인먼트, 바디, ADAS이다.

예를 들어, 인포테인먼트에서는 클러스터, 카 내비게이션 등에서 채용되고 있는 대형·고해상도 액정 패널의 구동 및 제어를 담당하는 칩셋을 공급하고 있다. 칩셋은 고해상도 액정 패널을 구동하는 게이트 드라이버, 소스 드라이버, 타이밍 컨트롤러(T-CON), 이들 제품을 최적으로 동작시키는 파워 매니지먼트 IC(PMIC), 감마 보정 IC로 구성돼 있다. 각 IC가 정보를 수시로 공유함으로써 액정 패널용 디바이스로서 기능안전에 대응하는 데 성공했다. 또한 EV 및 HEV 등의 고효율화에 기여하기 위해 아날로그 파워 디바이스를 적극적으로 전개하고 있다. 온보드 차저(차량용 충전기)와 DC/DC 컨버터, 인버터 등의 구성 부품인 IGBT와 MOSFET, 이들 제품을 구동하는 게이트 드라이버 등 폭넓은 라인업으로 최적의 솔루션을 제안하고 있다.

SiC 제품 전개

특히 주목할 제품은 SiC를 활용한 디바이스이다. 로옴은 2010년에 세계 최초로 SiC MOSFET을 양산하는 등, 일찍이 SiC 파워 디바이스를 개발해왔다. 다른 전력반도체 제조사와의 차별화는 지난 2009년 SiC 단결정 웨이퍼 제조업체인 독일 SiCrystal 사를 인수해 로옴 그룹 내에서 결정 잉곳(Ingot) 제조부터 SiC 디바이스까지 일관 생산한다는 점이다. 로옴은 SiC 쇼트키 배리어 다이오드(SBD)와 SiC MOSFET,

이 두 제품을 단일 패키지에 내장한 Full SiC 파워 모듈을 라인업으로 갖추고 있다. 차량용 SiC MOSFET은 지금까지 플래너(Planar) 구조의 2세대 MOSFET(그림 1 좌측)이 중심이었지만, 트렌치(Trench) 구조를 채택한 3세대 MOSFET(그림 1 우측)의 양산도 시작했다. 3세대 제품은 세계 최초의 트렌치 구조 SiC MOSFET으로 작은 면적에 낮은 온저항과 대전류화를 실현할 수 있다.



SiC 디바이스의 장점은 실리콘(Si) 디바이스에 비해 고효율이라는 점이다. 예를 들어 온보드 차저에 사용하면 충전시간을 단축할 수 있다. 또한 SiC 디바이스는 고속 스위칭이 가능하여 주변 부품인 인덕터를 소형화할 수 있다. 고온 동작이 가능하므로 방열 및 냉각 기구도 소형화할 수 있다. SiC 디바이스는 물성 상 고내압에서 사용되므로 자동차의 배터리 고전압화에도 대응해 고효율화에 기여한다.

자동차 애플리케이션에 적용 확대

SiC 디바이스가 가장 활발하게 적용되는 애플리케이션은 온보드 차저이다. 온보드 차저는 교류 전압 100V~240V를 직류 전압으로 변환해, 고전압 배터리에 충전하기 위한 AC/DC 컨버터로서 기능한다. 세계 각국 전압에 대응하기 위해 현재 온보드 차저의 입력 허용 전압은 85V~265V 정도이지만, 충전 시간 단축에 대한 시장 요구에 대응하여 배터리 고전압화에 따른 입력 허용 전압이 요구됨에 따라 SiC 디바이스 채용이 늘고 있다.

다음으로 채용이 활발한 부품은 DC/DC 컨버터이다. DC/DC 컨버터는 고전압 배터리의 출력으로 파워 디바이스를 스위칭하고 트랜스를 사용해 직류 저전압으로 변환하는 기능을 한다. SiC 디바이스화를 통해 스위칭 시 손실을 적게 하고 주변 부품을 소형화함으로써 고성능 DC/DC 컨버터를 실현한다. 이밖에도 SiC 디바이스의 주요 애플리케이션으로 인버터와 전동 컴프레서가 있다.

메인 인버터에 SiC 채용 시 이점

SiC 디바이스를 인버터에 적용하면 3~8% 효율이 향상돼 항속거리를 유지함과 동시에 전리용량(電離容量)을 작게 할 수 있다. 또한 인버터 냉각 기구의 중량 및 사이즈도 소형화할 수 있다. 예를 들어 용량 50kWh 배터리의 경우, 항속거리를 유지함과 동시에 46kWh까지 소형화가 가능해진다. 최근 희귀 금속(rare metal)의 공급 불안정으로 배터리 가격이 상승함에 따라, 항속거리가 긴 대형 자동차의 경우 대용량 배터리의 탑재 용량을 줄여 인버터의 SiC MOSFET화에 따른 비용 증가를 상쇄시킬 수 있다. 따라서 HEV보다 EV 쪽이 먼저 인버터의 SiC화가 진행될 것으로 예상된다.

첨단 기술로 경쟁하는 포뮬러 E

이러한 인버터의 SiC 적용 사례 중 하나가 2014년부터 시작된 전기차 경주 ‘FIA 포뮬러 E 선수권’이다. 로옴은 포뮬러 E에 출전하는 Venturi 포뮬러 E팀의 공식 기술 파트너로서 SiC 디바이스를 제공하고 있다(그림 2).



로옴은 2016년 가을부터 포뮬러 E에 참가했다. SiC 디바이스를 인버터에 적용한 결과, 고효율화를 실현함과 동시에 방열판 등의 부품도 소형화할 수 있었다. 2016년 10월 개막한 시즌 3에서는 Si-IGBT와 SiC 쇼트키 배리어 다이오드와의 조합으로, 기존 Si-IGBT와 Si 다이오드 조합의 인버터 중량이 15kg에서 13kg으로 감소했다. 또한 2017년 12월 개막한 시즌 4에서는 Si-IGBT를 SiC-MOSFET으로 대체한 Full SiC 모듈을 채용함으로써 중량이 9kg으로 감소했다. 이와 같이 SiC 디바이스는 고효율화와 대폭적인 소형 경량화로 인버터의 성능 향상에 기여할 수 있다(그림 3).



마일드하이브리드 전원 시스템용 고 강압비 DC/DC 컨버터


아날로그 파워 제품 라인업 중 하나로, 전원 IC도 중요한 역할을 담당한다. 최근 친환경 자동차로 주목받고 있는 48V 마일드하이브리드차의 시스템용으로, 로옴은 2MHz 동작(스위칭)으로 업계 최고의 강압비를 달성한 MOSFET 내장 강압 DC/DC 컨버터를 공급한다. 마일드하이브리드차와 기존 시스템과의 큰 차이점은 배터리 전원전압이다. 기존 시스템에서는 12V였던 전원전압이 48V로 4배 증가하지만 사용하는 전자제어장치(ECU)의 전압은 변동이 없으므로 입출력 전압차가 커진다(그림 4).


또한 기존에는 ECU에 필요한 전압을 생성하기 위해 48V에서 먼저 12V를 생성한 후, 다시 5V나 3.3V를 2chip으로 생성했다. 그러나 이러한 방법으로는 주변 부품이 2배가 되어 실장 면적이 넓어지는 문제가 있다. 주파수를 낮춰 1chip으로 전압을 생성하는 방법도 있지만 스위칭 주파수가 낮기 때문에 코일 및 콘덴서 등의 주변 부품이 커지고, 발생하는 고조파가 AM 라디오 주파수에 영향을 미친다. 따라서 마일드하이브리드는 48V 입력에서 3.3V를 직접 출력할 수 있고, 스위칭 주파수가 AM 라디오 대역 이상에서 동작하는 DC/DC 컨버터가 필요하다.

‘ Nano Pulse Control’ 탑재를 통한 전원의 1chip화

“한층 더 높은 입력 전압에서, 한층 더 낮은 출력 전압을, 한층 더 높은 주파수에서” 실현하기 위한 기술 과제로 스위칭의 펄스폭을 좁게 할 필요가 있다. 일반적으로 “높은 입력 전압, 낮은 출력 전압, 높은 주파수”일수록 스위칭 폭이 좁아지지만, 입력 전압을 높이면 IC 내부에 포함된 기생 인덕턴스로 인해 스위칭 시 노이즈 성분이 증가한다.

로옴은 이러한 과제를 해결하기 위해 노이즈가 발생하기 전의 정보를 검출해 그 정보를 바탕으로 제어를 실행하는 초고속 펄스 제어 회로 및 고내압 BiCDMOS 프로세스, 레이아웃 등을 적용한 신기술 ‘Nano Pulse Control’을 개발했다.

이 기술을 탑재한 제품의 제1탄이 ‘BD9V100MUF-C’이다. 48V 전원에 요구되는 최대 전압인 60V 입력에서 3.3V 출력을 위해 필요한 펄스폭은 30ns이지만, 실제 IC에서는 부하 변동 및 전원 변동을 고려해 더 좁은 펄스폭이 필요하다. 이 제품은 30ns를 크게 상회하는 9ns의 고속 제어가 가능해 60V 입력, 2.5V 출력이라는 업계 최고 강압비 24:1을 실현했다. 60V 입력에서 2.5V 출력에 필요한 펄스폭은 20ns이다(그림 5).


또한 고속 제어를 실현함으로써 스위칭 주파수를 2MHz 이상으로 유지함과 동시에 입력전압 16V~60V 범위까지 안정적으로 2.5V 출력이 가능하다(그림 6).



이에 따라 주변 부품을 소형화하고 기존에는 2개 이상의 전원 IC로 구성할 수밖에 없었던 고전압에서 저전압으로의 전압 변환을 ‘1개의 전원 IC’로 구성할 수 있으므로 애플리케이션의 소형화와 시스템의 간략화를 동시에 실현할 수 있다.

기능안전

에너지절약만큼이나, ‘안심, 안전’도 매우 중요한 키워드이다. 최근 ADAS로 대표되는 기술혁신이 가속화됨에 따라 자동차의 안전성을 보장하기 위해 부품을 구성하는 반도체 레벨에서의 안전 목표 달성이 요구되고 있다. 로옴은 2018년 3월 제3자 인증기관인 TUV Rheinland로부터 자동차용 기능안전 규격인 ISO 26262 개발 프로세스 인증을 취득했다. ISO 26262는 업계 표준 기능안전에 관한 국제 규격으로 2011년 책정됐다. 향후 자동차 제조사에 제품을 제안할 때 기본적으로 ASIL-C나 ASIL-D 안전 등급을 만족해야 한다.

로옴은 창업 이래 ‘품질 제일’의 기업 목적을 바탕으로 수직통합형 생산 시스템을 도입해 모든 공정에서 높은 품질을 실현하고, 확실한 생산이력관리 실현과 서플라이체인의 최적화를 위해 노력해왔다. 자동차용 부품에 있어서도 자동차기기 전용 라인을 구축하고, 품질 매니지먼트 시스템 ‘IATF 16949’ 및 전자부품의 신뢰성 규격 ‘AEC-Q100/101/200’ 준수 제품 개발을 추진하고 있다. 앞으로는 ISO 26262 개발 프로세스를 기능안전이 요구되는 전원 IC와 타이밍 컨트롤러 IC 등의 제품부터 순차적으로 적용할 예정이다.<끝>

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