ST마이크로일렉트로닉스(STMicroelectronics, 이하 ST)가 하이브리드 및 전기 자동차(EV: Electric Vehicle)를 위한 첨단 고효율 전력 반도체를 발표하고, 이와 관련된 자동차 품질 표준 AEC-Q101 인증 일정도 예고했다. 

전기 및 하이브리드 자동차에서는 전기 효율성이 좋아야 주행거리도 우수하다. ST의 최신 SiC(Silicon Carbide) 기술로 주행거리가 더 길고 충전이 더 빠르며 운전자의 일상 생활에 잘 어울릴 수 있는 자동차 개발을 할 수 있게 됐다. 실리콘-카바이드 기술을 선도해온 ST는 그 중에서도 최초로 자동차 주요 전자 블럭에 맞는 고전압 전력 모듈 및 디스크리트형 솔루션에 적합한 차세대 정류기와 MOSFET를 선보인 업체다. 여기에는 트랙션 인버터(Traction Inverter), 온보드 배터리 충전기, 보조 DC-DC 컨버터 등이 있다.

현재 전력 모듈은 보통 표준 실리콘 다이오드 및 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)에 의존하고 있다. 실리콘-카바이드는 보다 새로운 와이드-밴드갭(Wide-Bandgap) 기술로, 최신 전기차와 하이브리드 차량에서 400V 범위 이상의 동력을 구동할 수 있는 것은 물론, 디바이스 크기를 매우 작게 구현할 수 있다. 구조가 더욱 작아진 SiC 다이오드 및 트랜지스터는 내부 저항을 낮추고 일반 실리콘 디바이스보다 반응이 빨라서 에너지 소모를 최소화할 수 있으며, 관련 부품도 더 작아서 크기와 무게를 줄일 수 있다. 

ST 파워 트랜지스터 부문의 마리오 알레오(Mario Aleo) 사업본부장 겸 그룹 부사장은 “주요 자동차 제조사와 1순위 전장 업체들이 다양한 동작 시나리오에서 일반 실리콘보다 훨씬 뛰어난 효율을 제공하는 실리콘-카바이드 기술을 차세대 제품을 개발하는 데 적용하려 한다”면서 “ST의 SiC 디바이스는2017년을 목표로 신제품을 준비중인 고객들을 지원하면서 인증에서는 더욱 앞선 수준에 도달했고 탁월한 성능을 입증해왔다”고 밝혔다. 

ST는2014년 최초의 1200V SiC MOSFET를 선보이면서 실리콘-카바이드 기반 고전압 MOSFET을 처음 생산한 기업 중 하나로 발돋음 했으며 이 제품은 업계 최고 수준인200°C 급을 달성하여 더욱 효율적이고 간소화된 설계에 기여할 수 있었다. 

ST는 4인치 웨이퍼로 SiC MOSFET 및 다이오드를 생산하는 업계 최고의 첨단 공정 기술을 사용하고 있다. 제조비용 절감과 품질 향상, 자동차 업계의 수요에 부합한 대량 생산을 위해 ST는 SiC MOSFET 및 다이오드의 생산 규모를 6인치 웨이퍼로 확장하고 있으며 2016년 말까지 전환 작업이 모두 완료될 예정이다. 

ST는 이미 650V SiC 다이오드에 대한 AEC-Q101 품질 인증을 획득했으며, 최신 650V SiC MOSFET과 1200V SiC 다이오드는 2017년 초에 인증 작업을 완료할 예정이다. 차세대 1200V SiC MOSFET의 인증작업은 2017년 말에 완료될 예정이다. 

650V SiC 다이오드 STPSC20065WY는 현재 TO-247 패키지로 양산 중이다. 이 제품은 저전류 등급의 소형 폼팩터 TO-220 패키지 옵션도 포함하고 있다. 1200V SiC 다이오드STPSC10H12DY는 현재 주요 고객 대상으로 폼팩터 TO-220AC 패키지 기반 샘플이 공급되고 있고 양산은 이번 달부터 시작 된다. 자동차 등급 제품은 2016년 4분기에 양산 시작 예정이다. 6A에서 20A에 이르는 다양한 전류 등급과 패키징 옵션도 제공될 예정이다. 

650V SiC MOSFET SCTW100N65G2AG은 주요 고객 대상으로 HiP247 패키지 기반 샘플이 공급되고 있으며, 2017년 상반기에 양산이 시작될 예정이다. 설계를 더 작게 할 수 있는 표면실장 H2PAK의 650V SiC MOSFET가 2017년 상반기에 AEC-Q101 인증을 받게 된다. 

 

기술 노트
ST의 650V SiC MOSFET SCTW100N65G2AG을 EV/HEV 메인 인버터(최고 주파수: 20kHz)에 사용하면 동급의 IGBT 솔루션 대비 최고 3%까지 효율을 높일 수 있다. 이 굉장히 큰 개선 결과는 배터리 수명과 자율성(autonomy)의 향상으로 이어지고, 쿨링 요건이 낮아져서 보다 작고 가벼운 전력 장치를 사용할 수 있다. SiC MOSFET은 인버터의 전력 손실을 줄여주기 때문에(경부하/중간부하에서 최고 80%까지 낮출 수 있음), 설계자들이 더욱 컴팩트한 설계에서 보다 높은 스위칭 주파수를 사용할 수 있게 해준다. 또한 SiC 기반 솔루션은 기본적으로 매우 견고한 바디 다이오드를 제공하기 때문에 IGBT에 필요한 환류 다이오드(Freewheeling Diode)를 사용할 필요가 없어 비용, 크기, 무게를 더욱 줄일 수 있다. 
일반 실리콘 디바이스와 비교해 본질적으로 매우 빠른 스위칭 성능을 제공하는 SiC는 OBC(On Board Charger) 및 DC-DC 컨버터와 같은 다른 EV/HEV 애플리케이션에서 훨씬 높은 스위칭 주파수를 구현하여 수동 컴포넌트의 크기를 줄일 수 있다. 또한 SiC MOSFET은 다양한 토폴로지에 사용이 가능하므로 설계 유연성을 증대시킨다.
이러한 혁신적인 특징들은 최신 하이브리드 및 전기 자동차 개발을 가속하는 데 도움을 주고 있다. 또한 ST의 첨단 제조공정 기술로 넓은 동작 온도 범위에 걸친 탁월한 안정성과 같은 경쟁 SiC 디바이스 대비 다양한 이점을 제공하기 때문에 보다 신뢰할 수 있는 차량 성능과 범위를 달성할 수 있다. 
높은 열 효율을 가진 독보적인 HiP247™ 패키지로 하우징된 ST의 SiC MOSFET은 업계 최고의 200°C 접합 온도등급을 갖추고 있으며, 고온에서도 온-스테이트(On-State) 저항 변화가 매우 적다. 이는 시스템 효율을 더욱 증대시킬 수 있어 쿨링 요건을 감소시키고, 열 관리를 간소화함으로써 PCB 폼 팩터를 소형화할 수 있다. 
ST의 새로운 650V 및 1200V SiC 다이오드는 현재 마켓에서 공급 중인 모든 디바이스 중에서 최상의 순방향 전압강하(Forward Voltage Drop; VF) 특성을 갖추고 있으며, EV/HEV 전력 컨버터의 발열로 인한 에너지 소산량을 최소화할 수 있다. 이러한 탁월한 열 특성은 자동차의 전반적인 안정성을 더욱 향상시키는 데 도움을 준다.