The Road to Cost-Competitive Solutions: Traction Inverter Design and Their Cost Implications
테슬라 모델 3 인버터의 비밀
SiC MOSFET 투자 정당성 찾기
2020년 11월호 지면기사  /  발표|한스 슈포라(Hans Sporer), A2mac1



A2mac1 전자사업부 책임자이자 ecs 버라퉁운트서비스 전무이사인 한스 슈포러(Hans Sporer)가 9월 초 본지가 개최한 ‘Automotive Innovation Day 2020’에서 ‘아우디 eTron, 현대 코나, 테슬라 모델 3’ 전기차를 예로 들며 인버터 디자인과 원가 혁신 방안에 대해 소개했다. IGBT 솔루션에서는 복잡한 냉각 매커니즘이 높은 원가를 야기하지만 SiC MOSFET 솔루션에서는 이런 투자가 정당성을 갖는다는 결론을 내렸다. 그의 강연을 전한다.

발표|한스 슈포러(Hans Sporer), A2mac1
정리|한 상 민 기자_han@autoelectronics.co.kr

한스 슈포러 
한스 슈포러는 약 20년간 ecs(ecs Beratung und Service GmbH)에서 원가 엔지니어링 관련 업무를 진행해 왔다. 이전에는 BMW에서 E/E 부품 원가 엔지니어링 및 구매 관리자로 10년간 일했다. 그는 다양한 시스템 아키텍처(buses, integration levels)가 전체 차량 시스템 비용에 미치는 영향을 분석하고 평가했다. ecs는 2020년부터 A2Mac1 그룹의 일부가 돼 여러 프로젝트를 진행 중이다. ecs는 2001년에 설립돼 E/E 시스템의 원가 엔지니어링을 전문으로 하는 독일 컨설팅 업체로, 원가분석, 벤치마킹, 원가절감, 목표 원가설정 등에 중점을 두고 신기술과 원가 균형을 맞추는 방법, 프로세스에 대한 컨설팅을 하고 있다. 



전기차 구매를 높이려면 어떻게 해야 할까? 카 메이커, 딜러, 소비자 입장에서 전기차는 가격 경쟁력뿐만 아니라 성능면에서도 내연기관차와 비교/경쟁이 가능해야 한다. 

성능 향상은 원가 상승을 의미한다. 카 메이커는 보다 낮은 비용으로 성능 향상을 실현해야 한다. 이러한 도전과제를 해결하기 위해서 시스템을 최적화하고 새로운 기술 및 토폴로지 등을 사용할 수 있다. 사실 모든 부분이 최적화돼야 하므로, e파워트레인 전 영역에 걸쳐 최적화가 진행돼야 한다. 예를 들어 쿨링 시스템의 최적화, 전자 소자 수의 감소, 더 높은 통합 수준 등이 지속적으로 이뤄져야 한다. 

여기서는 e파워트레인의 구성부품 중 하나인 인버터에 집중하기로 한다. A2Mac1은 인버터 시스템과 관련해 66개의 인버터 시스템을 모듈 단위(Power module, housing, busbars 등)로 분해, 분석해 왔다. 또한 ecs가 참여해 아우디 e-tron, 테슬라 모델 3, 현대 코나, 메르세데스 벤츠 EQC, 포르쉐 타이칸 등을 비롯한 여러 모델의 인버터 시스템에 대한 원가분석을 진행했다. 그림 1은 다양한 인버터 시스템의 제조원가와 정격 피크 전력을 보여준다. 좌측 상단에는 원가 성능이 상대적으로 낮은 인버터들이다. 아우디 eTron과 같은 최신 모델의 인버터, 테슬라 모델 3와 같이 범주에서 벗어난 예외적인 경우도 있다. 만약 2024년에 새로운 프로젝트가 예상되고, 그 목표치가 현재 수준을 넘는 것이라면, 어떻게 수용 가능한 원가성능을 구현할 수 있을지를 밝혀내야만 한다. 이러한 벤치마킹은 목표 원가설정을 위한 기본 자료일 뿐만 아니라 이미 목표 원가 범위를 벗어난 경우 원가절감 조치를 진행하는 데도 중요하다. 



그림 1. 인버터 제조 비용 대비 성능


그림 2는 eTron 인버터의 벤치마킹 데이터다. 히타치에서 제조된 제품으로 제조업체에서 제공한 전력 사항은 164 kW다. 파워 모듈, 용접된 버스바, 32핀 커넥터 등이 있다. 하나의 인버터 뿐 만이 아니라 많은 수의 인버터에 대해서도 주요 지표에 대한 목록을 작성하고 비교할 수 있다. 예를 들어, 테슬라는 다른 차량(혹은 솔루션)이 사용하는 것보다 더 새로운 SiC 모듈을 적용했다. 다양한 컨셉을 가진 모듈이 존재하고, 이는 매우 중요한 지표를 이끌어 낼 수 있다(그림 3).



그림 2. eTron 인버터의 벤치마킹 데이터



그림 3


원가 측면에서 보면, A2mac1은 각각의 인버터 원가분석 시 상향식(bottom up) 분석 방식을 채택해 각 인버터의 부품별 완벽 분해/분석을 진행 후, BOM(bill of material) 리스트를 작성하고 각 모든 하위 부품에 그 원가를 책정한다. 이를 바탕으로 재료원가와 생산원가를 산출한 후 이와 관련해 발생된 각종 간접비를 포함한 각 인버터의 기본 가격을 산출한다. 정확한 비교를 위해 원가산출을 위한 데이터는 표준화돼야 한다. 따라서 연간 생산량 10만 대 기준, 생산지역은 독일로 가정했다. 이를 통해 생산량, 밸류체인, 다양한 요인에 의해 발생하는 비용 관련 편차를 제로화해 각 기술 솔루션으로부터 발생하는 원가 차이에만 집중할 수 있도록 한다. 또 각 인버터 모듈의 디자인과 그 차이점, 이의 비교/분석을 통해 배울 수 있는 사항에 대해 집중할 수 있도록 했다.

확인된 원가 차이는 높은 전력 등급, 파워 모듈의 SiC MOSFET 등의 차이에서 기인했다고 생각할 수 있다. 또 원가 차이는 이미 각 모듈의 제원이나 무게 등 물리적인 차이에 의해서도 기인할 수 있다. 하지만 여전히 누락된 것은 각 컨셉에 따른 원가의 할당 비율 혹은 “지출된 비용은 얼마인가”와 같은 전형적인 질문에 대한 답, 각 부품은 어떠한 이력을 갖고 있는지, 개발자들이 하나의 구성 부품 혹은 기능 블록 등에 얼마의 원가를 할당했는 지와 같은 것이다.

각 기능에 따른 원가를 할당해야 한다. 기본적으로 DC 전류를 AC 전류로 변환하는 인버터 모듈의 기본 기능을 정의해야 한다. 배터리로부터 전류가 들어오면 일반적으로 전류 입력 단자 쪽에 위치한 여러 필터링을 거친다. 이후에는 전력과 전력 스위치의 버퍼링을 위한 DC Link 커패시터를 거치게 된다. 이런 일련 활동은 전력 모듈에서 발생한다. 또한 인버터는 자체적인 컨트롤 기능을 갖고 있다. 이를 인버터의 두뇌라고 생각하자. 여러 개의 게이트 드라이버로 구성된 두뇌는 적시에, 그리고 적절한 주파수로 전력 모듈을 켜고 끌 수 있다. 물론 그 외에도 다양한 기계식 부품들이 존재한다. 예를 들어 전력과 시그널 전달을 위한 내/외부 커넥터, 하우징 등이 있다. 



eTron, 모델 3, 코나 

우리는 아우디 eTron, 테슬라 모델 3, 현대 코나 등 총 3개 모델에 대해 보다 자세히 살펴본다(그림 4). 이 3개 모델에 적용된 인버터들은 유사한 전력 등급을 갖고 있다. 하지만 그들은 각자 고유의 솔루션을 통해 기술을 구현했다. 여기서 인버터의 두뇌에 해당하는 컨트롤 파트는 깊게 다루지 않는다. 그보다는 전력 스위치, 냉각/역학, 인버터 내부의 상호 연결방식 등에 집중한다. 




그림 4

그림 5


현대 코나는 인버터와 DC/DC 컨버터가 통합된 형태다(그림 5). 하지만 DC/DC 컨버터 부분은 무시하고 진행한다. 통합 형태이긴 하지만 컨버터가 인버터 디자인에 그리 큰 영향을 미치진 않기 때문이다. 우선 하우징 부품, 전력 모듈, DC Link 커패시터(큰 검은색 벽돌 모양), 게이트 드라이버 장치, 제어장치 그리고 몇몇 버스바들을 확인할 수 있다. 가치 혹은 원가 측면에서 전력 모듈은 현재 인버터의 구성 부품 중 가장 고가의 장치다. 그 다음으로 하우징 및 구조 부품, DC Link, 전기적 상호연결을 위한 버스바 등이 그 다음이다. 이 모든 것들은 기본적으로 비용과 성능 면에 활용되고 균형을 맞출 수 있는 것들이다.

아우디 eTron의 인버터 원가분석 지표(cost break-down)를 보면(그림 6), 보다 효율적인 전력 모듈을 사용하고 있음을 알 수 있다. 하지만 그 외 부품의 원가 수준이 상대적으로 높기 때문에 그래프의 원가 분포는 코나의 인버터와 비슷하다. 따라서 eTron 인버터의 기계적 복잡성이 더 높을 것으로 예상할 수 있다. 꽤 큰 방열장치(heatsink)와 더 많은 구성 부품 등을 확인할 수 있다. 

테슬라 모델 3의 경우(그림 7), 2개 솔루션과 완전히 다른 상황이다. 모든 다른 부품에서는 상대적으로 낮은 원가를 구현한 반면 SiC 모듈은 매우 고가다. 전력 스위치와 SiC 모듈의 경우, SiC 기술은 상대적으로 새로운 기술이며 그 사용 측면에서 많은 효율성을 얻을 수 있지만 현재 원가는 상대적으로 높다. 이는 앞으로도 얼마간 유지될 것으로 예상된다. 

3개 인버터를 비교하면, 총 제조원가 차이는 주로 전력 스위칭에서 발생한 것으로 나타난다. 코나의 제조원가가 저렴함을 알 수 있다. 파워 모듈을 제외한 다른 모든 부분에서는 테슬라 모델 3의 솔루션이 훌륭해 보인다.



그림 6

그림 7


체리 피킹 

그러면 우리는 체리 피킹(cherrypicking)을 할 수 있을까? 3개 솔루션에서 가장 원가효율이 높은 부품들만 골라 인버터를 생산할 수 있을까? 물론 디자인 측면에서 몇 가지 절충안이 필요할 것이고, 몇몇 부분에서는 상호 배타적일 수 있다. 이제 우리는 그 차이점을 더 자세히 이해하기 위해 주요 구성 부품을 살펴봐야한다. 

코나의 전력 스위치(그림 8)는 프레임 모듈이며 꽤 오래 전부터 사용돼 온 고전적 유형의 장치다. 미쓰비시 일렉트릭에서 생산된 제품이지만 J1 시리즈는 비교적 최신이다. 포팅 컴파운드 (potting compound) 아래에 무엇이 있는지 확인하기 위해 X-Ray 촬영을 했고, 각각 213 mm²의 6개 IGBT를 확인했다. 이는 미쓰비시의 신기술이 구현된 것으로 성능 면에서 매우 효율적이다. 144 mm² 크기의 6개 프리러닝 다이오드(free-running diode)도 확인됐다. 알루미늄 냉간단조(cold-forged) 방식으로 생산된 방열장치는 전체 E/E 장치를 커버할 수 있다. IGBT 모듈과 세라믹 PCB의 연결은 다이렉트 리드 본딩(direct lead bonding) 방식이 사용됐다. 세라믹 PCB의 한 종류인 DCB에는 모든 전자 소자가 납땜(soldering) 혹은 소결(sintering) 방식으로 탑재됐다. 해당 DCB에 사용된 질화 알루미늄(Aluminum Nitride) 소재는 원가에서 산화 알루미늄(Aluminum oxide)과 질화 실리콘(Silicon Nitride) 사이에 위치한다. 



그림 8


아우디 eTron의 전력 모듈은 히타치 자체 생산 모듈이다(그림 9). 양면 냉각 모듈로 현재 확인되는 모든 모듈 중 가장 큰 제품이다. 모듈 위아래에 냉각수를 위한 채널이 있다. 이런 냉각 매커니즘은 조금은 덜 효율적인 IGBT의 사용, 혹은 더 작은 IGBT의 사용을 가능케 한다. 하지만 더 뛰어난 냉각 성능을 기대할 수 있고 약간의 IGBT 원가를 절약할 수 있다. 4개의 143 mm² IGBT, 4개의 81 mm² 다이오드가 사용됐다. 양측에 알루미늄 방열판이 있으며 전력 단자에 본딩 방식이 아닌 은 소결 방식으로 연결했다. 이 공정은 상대적으로 높은 비용을 발생시킨다. 앞서 언급한 실리콘 질화물이 포함된 DCB도 비싼 편이다. 모듈의 구조 및 상호연결 방식이 복잡해 더 나은 냉각방식과 열효율 개선이 요구될 수 있음을 의심할 수 있다.



그림 9


테슬라 모델 3(그림 10)는 ST마이크로일렉트로닉스의 모듈이 장착된 인버터다. 단면 냉각 SiC MOSFET이다. 각 모듈별로 20 mm² 크기의 MOSFET 2개가 장착돼 있다. 따라서 이전 두 모듈에 비해 다이 크기를 절약할 수 있다. MOSFET 안에 다이오드가 통합돼 있어 개별 다이오드 원가를 절약할 수 있으며, 또한 추가적으로 약간의 패키징 절감효과가 있고 보다 밀도 있는 제품생산을 가능케 한다. 방열판이 하우징에 통합돼 있는 방식으로 모듈 자체의 방열판은 필요 없다. 또 모듈과 방열판 연결방식은 소결 방식을 채택한 색다른 제조방식이다.



그림 10


A2mac1은 이런 방식으로 모든 부분을 살펴보고 빌드업을 망라하는 표를 작성했다(그림 11). 이는 형태학적 상자로, 각각의 선은 선택이 가능한 자유도를 나타낸다. 예를 들어 전력 모듈의 경우 B6(frame) 모듈, 비교적 신기술로 높은 통합도를 가능케 하는 트랜스퍼 몰드 모듈 등이 있을 수 있다. 또 히타치의 양면 냉각방식 모듈이 있고, 테슬라 모델 3와 같은 개별 방식 모듈도 있다. 예를 들어, 산화 알루미늄 방식의 DCB 혹은 형태를 깍아 낸(skived) 방식의 방열판 등 다른 변형도 존재한다. 디자인(혹은 설계) 시 허용되는 범위 내에서 이러한 변형은 얼마든지 선택 가능하다. 
이제 자유로이 선택된 변형 솔루션을 연결해보자. eTron은 우수한 냉각 성능을 가지고 있고 이는 보다 효율적인 IGBT의 사용을 가능케 한다. 더 큰 칩 크기, 알루미늄 단조 방식의 방열판, 은 소결, 다소 비싼 실리콘 질화물 DCB를 사용한다. 코나의 경우 eTron과 유사한 원가 수준의 솔루션을 구현했다. 효과적인 IGBT 사용으로 관련 원가가 약간 높지만 발열을 낮춰 더 작은 IGBT를 사용한다면 원가를 조금 더 낮출 수 있다. 패키지 밀도를 조금 더 높일 수 있다면 mm² 단위에서 IGBT의 원가를 더욱 낮출 수 있다. 또 알루미늄 방열판을 사용하며 리드(lead)에 초음파 용접을 사용하고 있다. DCB는 질화 알루미늄을 사용한다.

테슬라의 경우 다른 2개 모듈에 비해 3배 이상의 원가를 나타낸다. 1,000 mm² 미만의 개별 모듈 사용, 별도의 다이오드가 없는 점, 은 소결 방식, 더 고가의 DCB 사용 등이 특징이다. 비록 테슬라는 아주 작은 크기의 칩을 사용하고 있지만 IGBT가 mm² 당 갖는 원가 비용을 (최소한 아직은) SiC 방식을 통해 상쇄할 수는 없다. 이것이 모델 3 인버터가 다른 제품에 비해 원가가 월등히 높은 이유다.



그림 11



냉각방식   

역학적 매커니즘/ 냉각방식에 대해 살펴보자. eTron은 더 효율적인 냉각방식으로 모듈 원가가 더 낮다(그림 12). 하지만 이 컨셉의 단점 역시 더 명확해졌다. 양쪽에서 냉각을 가능케 하기 위해, 양쪽으로 냉각수의 흐름을 가능케 하기 위해 더 많은 노력이 필요했다. 별도의 냉각 채널이 필요하다. 알루미늄 다이 캐스팅 방식으로 제작됐으며 가공을 위해 상당히 많은 공정시간이 필요하다. 많은 실(seal)이 필요하다. 냉각 채널에 2개가 필요하고 모듈 측면을 인버터의 하우징에 연결할 때 실링해야 하며, 각 모듈 또한 실링해야 한다. 코나가 단지 2개의 실만 필요한 것과 비교하면 큰 차이다.



그림 12


모든 솔루션을 언급할 수는 없지만, 테슬라의 냉각방식은 꽤 흥미롭다(그림 13). 테슬라는 가장 간단한 솔루션을 구현했다. 오직 단 하나의 실을 냉각 채널 하단에 사용한다. 전력 반도체를 방열판 상부에 소결하는 방식을 채택했기 때문에 가능할 수 있다. 방열판은 다른 2개의 제품과 유사한 냉간 단조방식이지만 복합성형으로 인버터 하우징에 통합했다. 이것은 기본적으로 방열판을 단조한 후에 알루미늄 다이캐스팅 공정으로 몰딩하는 것을 말한다. 아우디는 매우 복잡한 냉각방식을 갖고 있다(그림 14)

하우징과 냉각 채널이 통합된 다른 제품과 보다 명확한 비교를 위해 eTron 인버터의 구성 역시 가상으로 통합해 봤다. 아우디 eTron의 하우징과 냉각방식이 통합된 원가는 이제 53.95달러다. 코나는 그 통합 정도가 보다 더 높은 이유로 약 10달러 정도 저렴한 44.84달러다. 모델 3의 경우 가장 낮은 31.25달러다. 여기서 고려해야 할 점은, 테슬라의 인버터에는 별도의 상단 커버가 없다는 점이다. 해당 인버터는 기어박스에 통합돼 있는 형태다. 확인할 수 있는 것은 보다 효과적인 냉각방식과 낮은 원가의 모듈 제작을 위해 보다 많은 비용을 기계식 역학 설계에 투자해야 한다는 것이다.



그림 13

그림 14




연결방식

인버터 내부 연결방식에 대해 살펴보자. 아우디는 이 방식이 제대로 작동하기 위해 꽤 많은 노력이 필요했을 것으로 예상된다(그림 15). 가운데를 보면 냉각 채널이 있다. DC Link와 구리판으로 되어있는 버스바가 있고 양 측면에 전자부품 및 게이트 드라이버, 인버터 제어를 위한 전자부품들이 있다. 양측의 연결을 위해 FFC(Flex Flat Cable) 커넥터가 사용됐고, 전자장치와 전자장치의 연결을 위해 와이어하네스가 사용됐다. 게이트 드라이버와의 연결은 PCB에 납땝된 커넥터를 사용한다. 인터페이스를 위해 추가 커넥터가 필요해 PCB에 직접 핀을 납땝하는 방식보다 더 많은 노력이 필요하다. 파워 모듈과 DC Link의 연결방식은 조금 다르다. 스크류를 통한 고정방식이 아니라 용접을 시행했다. DC Link에 몇몇 버스바들이 통합돼 있는 형태이고 이 전체는 냉각 채널을 감싸며 파워 모듈과 용접을 통해 연결돼 있다. 차량 커넥터는 와이어 하네스를 통해 연결된다. 즉 이것은 하우징의 어느 지점에서 제어 PCB로 연결돼야 함을 의미한다. 이를 위해 추가적인 와이어하네스가 필요하다. 전류 센서와의 연결을 위해서도 와이어하네스가 필요하다. 결론적으로 총 3개의 와이어하네스가 필요하다. 오버 몰딩돼 있는 버스바는 스크류를 통해 고정돼 있고 인버터 전체에 걸쳐 연결돼야 하기 때문에 다소 복잡한 구조를 갖고 있다. 추가적인 복잡성과 원가 엔지니어링 관점에서도 해당 솔루션은 상대적으로 비용이 높은 솔루션이다.



그림 15


테슬라는 훨씬 더 간단하게 내부 연결방식을 구현했다(그림 16). DC Link와 파워 모듈은 DC Link에 통합된 버스바와 용접하는 방식으로 연결했다. 추가적인 버스바의 필요성이 없는 점은 매우 흥미롭다. 한쪽은 모터와 연결이 되고 다른 한쪽은 DC 커넥터와 연결된다. 나머지는 DC Link 혹은 파워 모듈에 통합돼 있는 형태다. 단일 PCB 솔루션이기 때문에 전자장치끼리의 상호연결은 필요 없다. 차량 커넥터 역시 하우징에 통합돼 있는 형태이기 때문에 커넥터와 PCB의 연결을 위한 와이어하네스가 필요 없다. 따라서 매우 직관적이고 간단한 솔루션이다.



그림 16


당연히 이것을 원가 측면에서 확인할 수 있다. 인버터 내부 연결을 위한 비용은 상당히 높다. 물론 제시된 원가는 DC Link의 원가를 포함한 것이다. 마이크로패럿(microfarad) 당 동일한 가격 수준과 용량 수준이기에 내부 연결비용에 DC Link 원가를 포함시키는 것이 가능했다. 원가를 비교 가능하도록 표준화시켜 본 결과 eTron의 원가는 86달러로 매우 높다(그림 17). 예를 들어 코나는 52달러 수준, 가장 간단한 디자인의 모델 3는 48달러 수준이다. 모델 3가 낮은 원가를 형성할 수 있는 이유는 인터커넥터 사용이 없고 전자장치의 간단한 빌드업과 단일 PCB 솔루션 및 전력 반도체에 개별적인 패키지 솔더링 방식을 적용했기 때문이다.



그림 17


디자인 혁신과 모듈화  

이제 모든 것을 하나의 표에서 살펴보자(그림 18). 현대 코나의 성능은 매우 좋아 보인다. 인터커넥트와 파워 모듈 원가 사이 균형도 매우 양호하다. eTron의 경우 냉각 의존도가 조금 높다. 파워 모듈의 원가절감을 위해 인터커넥션과 냉각방식에 보다 많은 투자를 한다. 테슬라는 실제로 매우 고가의 SiC 모듈을 사용하고 있지만, 단순한 설계로 매우 저렴하게 제조할 수 있다. kW 대비 원가 측면에서 모델 3가 파워 모듈을 제외한 모든 분야에서 매우 뛰어난 지표를 나타내는 것을 알 수 있다.



그림 18


애초 하고 싶었던 질문은 “테슬라의 kW 당 원가인 2.50달러를 아우디 수준인 0.77달러로 실현 가능한가?”이다. 이것은 모두의 목표가 될 것이다. 이를 끌어내기 위해 A2mac1은 테슬라가 모델 3에서 수행한 작업을 살펴봤고, 꽤 특별한 모델을 살펴볼 수 있었다. 이것은 테슬라의 non-performance 모델인 전륜구동 차량이었다(그림 19). 121 kW의 프론트 액슬을 장착한 차량에서 특이점은 각 위상(phase)의 IGBT들이었다. 하지만 기존의 리어 액슬에서의 각 위상별 IGBT 8개가 아니라, 오직 6개만 존재했다. 즉, 총 24개 파워 스위치가 아니라 오직 18개 파워 스위치만 존재한다. 또한 상대적으로 낮은 성능(163kW→121 kW)으로 고가의 SiC MOSFET이 아닌 IGBT의 사용이 가능했다고 예상할 수 있다. 칩셋 크기 역시 현대 코나와 비교 가능한 1,050 mm²의 IGBT 크기를 갖고 있다. 또 패키징을 유사하게 유지하기 위해 IGBT 역시 SiC에서 사용한 것과 동일한 패키지를 사용했다.   

이를 기반으로 전반적인 재분석 후 파워 모듈과 관련해 보다 낮은 원가에 도달할 수 있었다. 물론 그 외의 다른 조건 및 사항은 동일하게 유지했다. 이제 조금 낮은 성능(system power [kW])의 파워 모듈 원가가 143달러 수준에서 실행 가능함을 확인했다. 이는 kW 당 1.19달러 정도의 비용이며, SiC 모듈에 비해 월등이 낮았던 코나의 0.88달러와 비교 가능한 수준이다. 



그림 19

이제 요약해보자. 
테슬라가 새롭게 해낸 성과는 보다 저렴한 인버터의 사용을 가능케 한 것이다. 물론, 아직은 최상의 모범 사례에는 미치지 못하지만 현재 우리가 시장에서 구할 수 있는 것보다는 훨씬 저렴하다. 이는 테슬라가 고도로 모듈화된 디자인을 지향하고 관리했기 때문이다. 단지 전력 장치의 수와 해당 모듈에서 사용되는 반도체 종류를 변경함으로써 상이한 전력 사양을 요구하는 프론트 액슬 및 리어 액슬의 사용을 가능케 한 것이다. 살펴본 바와 같이 냉각 개념은 매우 간단하다. 방열판(heatsink)이 통합됐으며, 모듈을 해당 방열판에 소결하는 방식이다. 

디자인 혁신은 매우 중요하다. 증가하는 생산량과 기술 진전의 속도로 보아, 전자 소자/부품의 원가는 기계식 부품보다 빠르게 감소할 것이다. 이것이 의미하는 바는 명확하다. 원가와 비용을 낮추기 위해 디자인을 변경하는 것은 그리 단순한 문제가 아니지만, 전자 소자는 규모의 경제 영향을 매우 많이 받으며 보다 빠르게 감가상각이 이뤄지기 때문이다. 따라서 디자인에서 이런 것을 고려하는 것은 매우 미래 지향적이며, 또 다른 관점에서 디자인이 얼마나 다양한 방면에 영향을 미치는지 확인하는 것은 그리 어려운 일이 아니다. 효율적이고 혁신적인 디자인을 통해, 때로는 영구자석이 있는 리어 액슬에서도 사용이 가능하며, 프론트 구동의 여러 다른 기능을 만족시키는 프론트 액슬에서도 사용 가능한 솔루션을 구현할 수 있다. 

이것은 사실 비동기식 기계(asynchronous machine)를 구동하는 부스트 인버터다. 아주 짧은 순간에만 높은 성능을 요구하기에 주행 성능이나 다이내믹과 같은 효율성 향상에 집중하지는 않았다. 최종적으로 이러한 디자인이 매우 특이하다는 점을 강조하지 않을 수 없다. 

다시 요약하면, 성능과 제조원가, 칩셋 크기를 늘리는 것으로 인버터 성능을 향상시키면 어떠한 일이 발생하는지 살펴봤다(그림 20). IGBT 모듈의 경우, 기본적으로 IGBT 칩셋의 원가가 매우 저렴하기에 복잡한 매커니즘으로 이의 효율적인 냉각에 투자하는 것은 그리 효과적이지 않다. 하지만 SiC 모듈의 경우에는 조금 다르다. 몇몇 피크 파워 영역에서는 원가 측면에서 단점이 큰 부분이 있긴 하지만, 특정 지점(150 kW) 이후에는 효율적인 냉각 매커니즘에 투자하는 것이 동일한 칩 패지키를 사용하는 경우 원가를 크게 감소시킬 수 있다. 즉, 기본적으로 IGBT 솔루션에서는 복잡한 냉각(혹은 기계식) 매커니즘이 보다 높은 원가의 원인이 되지만, SiC MOSFET 솔루션의 경우는 이러한 투자가 정당성을 갖는다. 이것이 바로 핵심이다.



그림 20

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