반도체 공급 부족 사태를 극복하면서 더 많은 전기차를 제조하기 위해서는 혁신과 창의성이 필요하다. 기존의 공급 제약 안에서 전기차 보급을 가속화하기 위해서는 가용 자원을 효율적으로 활용하고 원자재 사용을 줄여야 한다. 자동차에 사용되는 Si와 SiC 비중을 최적화하는 것이 원하는 출력을 달성하고 효율과 자원 활용을 극대화하는 한 방법이 될 수 있다.



글 | 디르크 가이거(Dirk Geiger), 크리스토프 바우어(Christoph Bauer), 인피니언 테크놀로지스

디르크 가이거는 인피니언 테크놀로지스(독일 노이비베르크)의 차량 애플리케이션 마케팅 및 관리 선임 이사다. 크리스토프 바우어는 인피니언 테크놀로지스(독일 노이비베르크)의 차량 트랙션 인버터 글로벌 시스템 아키텍트다.








Si IGBT나 와이드밴드갭(WBG) 반도체 같은 전력반도체 기술은 각각 쓰임새가 다르다. 이것은 단지 어느 기술이 더 싸고 어느 기술이 애플리케이션 크기를 더 줄이냐의 문제가 아니다. 전기 드라이브트레인과 자동차 애플리케이션에 대한 깊은 이해를 더함으로써, 더 적은 자원으로 더 우수한 최종 애플리케이션을 가능하게 하고 혁신을 통해서 공급 부족을 극복하는 새로운 창의적인 솔루션을 도출할 수 있다.




그림 1 | 2개 eAxle을 채택한 EV의 전력 흐름도



전기차의 에너지 흐름도

그림 1의 전력 흐름도는 전기차 드라이브트레인으로 어느 지점에서 에너지를 소비하고, 낭비하고, 수확하는지 보여준다. 왼쪽은 추진 사이클이고, 오른쪽은 제동 및 회생 제동 사이클이다. 이 흐름도는 2개 전기 구동축을 채택한 자동차 디자인으로, 한 축은 전방에 탑재되고 다른 한 축은 후방에 탑재되며 각기 단일 모터를 사용한다. 
그렇다면 곧바로 이런 질문이 이어질 것이다. “각기 축의 용도는 무엇인가?” 이 질문에 대답함으로써 필요한 요구사항을 정의하고 솔루션을 찾을 수 있다. 하지만 뒤에서 살펴보듯이, 이 일이 그렇게 간단치만은 않다.
2개 eAxle을 채택한 이러한 전기차를 구현하기 위해서는 OEM과 시스템 회사들이 효율 요건과 비용적 제약뿐만 아니라 지속가능성과 원자재 공급 상황까지도 고려해서 필요한 기술들을 선택해야 한다.



트랙션 인버터의 기능들

전기차를 굴러가게 하기 위해서는 기본적으로 차저, 배터리, 인버터, 모터가 필요하다. 좀더 들여다보면, 인버터와 모터는 추진을 담당할 뿐만 아니라 감속 시에 에너지를 회수하고 이것을 메인 HV 배터리로 돌려보내기 위해서 제너레이터 역할도 한다. 인버터와 모터는 힐 홀드(경사 밀림 방지)와 배터리 프리컨디셔닝 같은 이차적인 기능들도 수행한다. 토크 관리, 스티어링, 차량 안정성 같은 기능들과도 연관된다.
트랙션 인버터로 최상의 성능과 효율을 달성하기 위해서는 실리콘 카바이드(SiC)가 적합한 기술이다. 그러므로 전방 축과 후방 축을 SiC를 사용해서 설계하면 좋을 것이라고 생각하기 쉽다. 하지만 여기에는 좀더 고찰이 필요하다.





그림 2 | WLTP(Worldwide harmonized Light vehicles Test Procedure)는 전형적인 주행 프로파일을 나타낸다.



표준화된 주행 사이클 WLTP 대 피크 성능  

WLTP 주행 사이클은 실제에 가까운 주행 상황을 나타낸다. 이 테스트 표준은 OEM과 소비자들이 자동차 효율을 비교해볼 수 있는 기준을 제시한다. EV는 일정한 거리에 걸쳐서 소비하는 에너지로 나타낸다. 예를 들어서 100킬로미터에 10 kWh 같은 식이다. 아니면 “갤런당 마일 환산량(MPGe)”을 사용할 수도 있다. MPGe를 사용해서 전통적인 내연 엔진 차량과 비교해볼 수 있다.

WLTP 주행 사이클(그림 2)은 여타의 미션 프로파일과 마찬가지로 다양한 가속, 감속, 퍼포먼스 구간으로 이루어지며, 1,800초에 걸쳐서 23.3킬로미터를 주행한다. WLTP가 실제 주행 상황을 반영하느냐에 관해서는 의견이 다양하다. 운전자마다 운전 습관이 다르기 때문이다. 하지만 차량의 효율을 가늠해볼 수 있는 기준으로서는 적합하다. 이러한 미션 프로파일을 사용해서 주어진 차량과 주어진 파라미터(무게, 바람 저항, 주행 효율, 가속, 회생 제동 등)로 필요한 모터 성능을 계산할 수 있다. 통상적인 1,500킬로그램 차량이라고 한다면 WLTP 주행 사이클을 수행하기 위해서 40 kW면 충분할 것이라는 계산이 나온다. 이것은 이 미션 프로파일로 EV를 가속하고, 최대 속도에 도달하고, 회생 제동을 하기 위해서 놀랍도록 낮은 수치의 출력이다. 무게가 더 높고 바람 저항이 더 높은 차량을 포함시키고 성공적으로 팔릴 수 있는 타당한 출력을 반영하기 위해서 이 글에서는 80 kW를 기준 값으로 사용한다.



더 적은 자원으로 더 많은 제조 
혁신을 통한 공급 부족 극복          

탈탄소화를 위해서는 앞으로 더 빠른 속도로 전통적인 내연 차량을 전기차로 교체해야 한다. EV 공급 사슬은 지극히 복잡하고, 비싸고, 위험성이 높다. EV 제조사들이 공급 사슬을 간소화하고, 시간을 단축하고, 비용을 절감하기 위해서 글로벌 조달에서 현지 조달로 전환하고 있다. 탄소 배출 목표를 달성하기 위해서는 2030년에 판매되는 자동차의 두 대 중에서 한 대는 전기차여야 한다(다시 말해서 2030년에 전기차 판매 대수 약 4~5,000만 대).

그러려면 엄청난 속도의 성장률이어야 한다. 다시 말해서 공급 사슬을 모터와 배터리에 필요로 하는 원자재들과 알루미늄, 강철, 반도체 같은 것들로 채워야 한다. 공급 사슬을 지속가능하게 만들기 위해서는 순환 경제 또한 필요하다. 이것은 자동차 수명이 다한 후에 원자재들을 신차 생산에 재사용하는 것이다. 특히 EV 배터리를 산업용 또는 컨슈머 애플리케이션에 재사용할 수 있다. 이것을 세컨드 라이프 재사용이라고 한다.




그림 3 | EV로 지속가능한 순환 경제를 이루기 위해서는 조기 단계에서부터 원자재를 잘 활용하도록 설계하는 것이 중요하다.



하지만 모빌리티의 전기화는 이제 막 시작하는 단계에 있다. BEV 시장은 지금도 여전히 자리를 잡아가는 중이다. 이것은 다시 말해서 앞으로 더 많은 BEV를 제조하기 위해서 더 많은 원자재가 필요할 것이라는 뜻이다(그림 3, 왼쪽). 이러한 원자재를 순환적으로 활용한다면 소모된 원자재만 보충하면 될 것이다.
자동차를 대부분의 운전 상황으로 높은 효율을 달성하면서도 동시에 가용 자원의 활용을 극대화하도록 설계해야 한다. 그럼으로써 공급 부족을 겪는 가운데서도 자동차의 전기화를 가속화할 수 있을 것이다.



트랙션 인버터로 SiC 활용        

더 많은 이들이 전기차를 찾도록 하기 위해서는 트랙션 인버터로 비용적 경제성과 적정 효율로 적정한 출력 정격이 중요하다. 이것이 말처럼 쉽지만은 않다.
자동차를 전체적인 관점에서 바라보고 모터 성능과 성능 배분에 대해서 살펴보자. 그러기 위해서는 주행 미션 프로파일로 필요로 하는 최소 성능과 원하는 피크 성능을 알아야 한다. 그럼으로써 어떤 전력 반도체 기술(Si 또는 WBG)을 어디에 어떻게 최대한 잘 활용할 수 있을지 결정할 수 있다.

위에서 언급한 사례로는 표준화된 WLTP 주행 사이클을 수행하고 대부분의 주행 상황을 처리하기 위해서 80 kW 모터로 충분했다. 그러므로 SiC를 사용해서 더 높은 출력을 구현한다면 차의 수명이 다할 때까지 많은 시간에 출력 용량이 저조하게 활용될 것이다. 하지만 재미를 주는 요소로서 자동차의 운전 경험을 위해서는 80 kW가 충분하지 않을 수도 있다. 이럴 때는 약간의 실리콘을 추가해서 차량의 피크 성능을 높일 수 있다. 예를 들어 실리콘 기술을 사용해서 추가적인 160 kW를 제공할 수 있다. 그럼으로써 매우 스포티브한 차를 설계할 수 있다. 반대로 엔트리 레벨 전기차를 위해서는 40 kW SiC와 80 kW Si로 줄임으로써 120 kW의 차량 출력을 제공할 수 있다.
자동차로 Si 칩과 SiC 칩의 비중을 어떻게 배분할지는 자동차 디자이너의 결정에 달렸다. 그러면 이번에는 전기 드라이브트레인 구성으로 가능한 옵션들을 보자.




그림 4 | 전기 드라이브트레인으로 활용 사례의 필요에 따라서 다양한 기술 옵션 가능



드라이브트레인으로는(특히 드라이브 인버터) 효율, 성능, 비용 측면에서 다양한 기술들을 활용한 다양한 옵션이 가능하다(그림 4). 단순히 차세대 SiC로 이전하거나(1), 필요한 만큼의 적정 성능을 사용하거나(2), 비용적으로 최적화된 솔루션을 추구하거나(3), 이차 eAxle로 Si를 사용하거나 SiC를 사용하거나(4), 한 트랙션 인버터로 기술들을 혼합할 수도 있다(5). 그러므로 선택폭이 넓고 결정하기가 쉽지만은 않다. 효율은 구동력을 위해서 뿐만 아니라 회생 제동을 위해서도 중요하다는 점을 고려하면 더 그렇다.
소비자가 원하는 가치를 목표로 하는 자동차 활용이 달성되기 위해서는 WLTP 주행 사이클 같은 목표 미션 프로파일을 적용해서 이들 모든 옵션을 평가하는 것이 필요하다. OEM들은 시장에서 자사 자동차의 포지셔닝을 어떻게 하고 목표 소비자들의 통상적인 활용 사례로 어디에다 가치를 추가할 것인지 결정해야 한다. WLTP 주행 사이클은 각기 다른 옵션을 비교해볼 수 있는 기준을 제시한다.
EV 내에서 성능을 배분하는 것에 있어서도 다양한 옵션이 가능하다. 가장 먼저 할 수 있는 것은 메인 드라이브 축과 보조 드라이브 축 사이에 성능을 배분하는 것이다.




그림 5 | 하이브리드 인버터는 추진, 회생 제동, 피크 성능에서 효율 향상을 이룰 수 있다.



그림 5에서 구성 1과 구성 2는 각기 전방 축과 후방 축으로 SiC를 100% 비중으로 사용한다. 이것이 오늘날 전기차의 통상적인 셋업이다. 구성 3과 구성 4는 효율과 비용을 절충한 하이브리드 인버터 옵션을 보여준다. 다시 말해서 동일 인버터 내에서 Si 칩과 SiC 칩이 병렬로 동작한다. 이러한 하이브리드 인버터가 어떻게 다른 구성들에 비해서 효율을 높이는지 보려면 각기 다른 주행 시나리오 별로 살펴보는 것이 도움이 될 것이다.




그림 6 | SiC를 활용해서는 효율적인 주행 프로파일이 가능하고, Si를 활용해서는 피크 성능을 제공할 수 있다.



그림 6은 그림 1의 에너지 흐름도를 기반으로 하이브리드 인버터의 에너지 흐름을 보여준다. 표준 부하는 후방 축으로 SiC를 사용해서 가속하고 전방 축 및 후방 축으로 SiC를 사용해서 차를 매끄럽게 감속할 수 있다. 이 부하 상황은 대부분의 운전 조건 및 WLTP 테스트 조건과 비슷한 것으로서, 원하는 축으로 전적으로 SiC를 사용해서 가속과 회생 제동을 할 수 있다. 출력을 피크 수준으로 높이는 경우에는 가속을 위해서 추가적으로 Si를 사용한다. 회생 제동을 위해서는 Si만 사용한다. Si가 높은 부하로 효율이 더 좋기 때문이다. 요컨대, 하이브리드 인버터는 각기 다른 반도체 전력 스위치를 각기 최대한 활용함으로써 효율적이고도 합리적인 가격대의 e-모빌리티를 가능하게 한다.


GaN은 차세대 인버터에 잘 활용될 수 있을까? 

드라이브 인버터용의 전력 반도체로는 Si와 SiC가 두 주역으로 자리잡고 있다. 미래에는 갈륨 나이트라이드(GaN) 또한 흥미로운 기술이 될 수 있을 것이다. 현재로서 GaN은 DC/DC 컨버터와 온보드 차저에 채택되고 있으며, GaN의 강점은 스위칭 주파수에 있다(높은 dv/dt 가능).
언뜻 보기에는 GaN이 트랙션 인버터에 적합하지 않다고 생각될 수 있다. SiC보다 전력이 낮고, 스위칭 속도가 모터 절연과 호환 가능하지 않고, 가격이 Si보다 높기 때문이다. 업계는 Si에서 SiC로 이전하면서 단순히 Si를 SiC로 교체하는 것만으로는 SiC를 최대한 활용할 수 없다는 것을 깨달았다. SiC의 이점을 최대한 활용하기 위해서는 전체적인 정류 루프를 저 유도성(low inductive) 디자인으로 수정해야 한다. SiC의 이점들은 인버터 자체 내에서 발휘되기보다는 전체 자동차 차원에서 보여지기 때문이다.
GaN 역시도 마찬가지다. 단순히 SiC를 GaN으로 교체하는 것만으로는 매력적인 솔루션이 될 수 없다. GaN의 강점을 최대한 활용할 수 있는 그런 솔루션을 찾아야 할 것이다.



맺음말      

각기 다른 전력 반도체 기술의 장점을 잘 활용하는 애플리케이션 솔루션들을 가능하게 하기 위해서는 시스템에 대한 이해를 갖춘 능력 있는 파트너와 포괄적인 제품 포트폴리오를 제공하는 반도체 회사가 필요하다.
적재적소에 부품들을 잘 활용하고, 효율 요건을 충족하고, 비용을 절감하고, 지속가능성을 높이는 것이 EV 설계 시의 중요한 요구사항이다. 추진, 제동, 상시 사륜구동(all-wheel drive) 같은 특정 기능으로 전력 반도체 기술을 선택하는 것은 자동차의 사용조건과 요구사항에 따라서 결정할 수 있다.

실리콘 카바이드(SiC)가 트랙션 인버터를 위한 강력한 기술로 부상하고 있으며, 성능과 효율의 기준을 제시하고 있다. 비용과 효율을 최적화하기 위해서는 목표로 하는 활용 사례로 적정한 SiC 비중을 결정해야 한다. 갈륨 나이트라이드(GaN)는 처음에는 SiC의 전력 용량을 따라가지 못하더라도 미래에 인버터를 위한 잠재적 기술로써 최대한 활용될 수 있는 특별한 솔루션이 개발될 수 있을 것이다.

AEM_Automotive Electronics Magazine