미래형 자동차의 에너지 절약 및 CO2 저감의 중요성이 커짐에 따라 하이브리드 자동차는 오토모티브 애플리케이션에서 더 높은 효율성을 가질 수 있는 가능성을 제시해 주고 있다. 하이브리드(혼성)의 개념은 몇 가지가 있는데, 기능과 전력 범위에 따라 3가지의 시스템(μ-Hybrid, Mild-Hybrid, Full-Hybrid)이 차량에 장착된다. 혼성의 정도는 연료 소모에 직접적인 영향을 끼친다(그림 1).

하이브리드 시스템 아키텍처
마일드 및 풀 하이브리드 자동차에는 내연기관 외에 최소 하나의 전기 모터/발전기가 추가로 설치되어 있다. 여기서 전기 모터는 120 V에서 400 V 정도의 배터리 전압으로 구동한다.
14 V DC 전원과 DC 고전압(HV) 전원 사이에 에너지를 교환하기 위해 DC/DC 컨버터가 사용된다. 전기 모터는 DC/AC 인버터로 구동된다. 추가로 DC/DC 부스트 컨버터를 채택하면, 고 전력을 내기 위해 배터리 전압을 증가시킬 수 있다.
하이브리드 시스템에서는 추가 인버터(DC/AC)에 의한 추가 보조 드라이브를 가질 수 있다. 즉, 공기조화(HVAC), 전동 조향장치 또는 오일 펌프 등에도 새로운 기회가 생기는 것이다(그림 2).
일반적으로 인버터는 역병렬 다이오드(antiparallel diode)를 가진 6개의 IGBT 스위치로 구현된다(그림 3). 하이브리드 드라이브 애플리케이션의 IGBT 스위칭 주파수 범위는 8~10 kHz이다. 스위치들은 흔히 산업용이나 철도차량용으로 잘 알려진 전력 모듈에 채택된다.
DC/DC 컨버터는 여러 가지 구조를 가질 수 있다. H-브리지 및 하프 브리지 뿐만 아니라 능동(MOSFET, CoolMOS, IGBT) 및 수동 소자(다이오드)를 사용하여 구성할 수 있다. 부스터 옵션은 주로 2개 스위치의 하프 브리지 형태로 구현된다(예: 600 V IGBT/다이오드 혹은 600 V CoolMOS)
스위칭 주파수를 100 kHz까지 증가시킴으로써 전압 리플이 작은 최적 성능을 가질 수 있다. 따라서 저전력 DC/DC 컨버터는 MOSFET 소자로 구현된다.
이 동작 모드에서 MOSFET의 스위칭 손실은 IGBT보다 훨씬 작다. 14 V부터 고전압까지의 DC/DC 컨버터는 2개의 H-브리지로 구현될 수 있다. 예를 들어 저전압 측은 40 V MOSFET로, 고전압 측은 600 V CoolMOS 소자로 구성될 수 있다(그림 4).

HEV 전력전자의 요구조건
HEV 전력전자에서는 비용과 성능 뿐 아니라 품질이 매우 중요하다. 모든 소자에 대해 품질 수준과 수명이 동일하다고 해도 각 소자의 요구조건을 결정하는 환경적인 스트레스는 매우 상이할 수 있다. 대부분의 자동차용 부품과 마찬가지로 전력 반도체의 요구조건은 장착 위치와 냉각조건에 따라 달라진다(그림 5).
열저항 관점에서 볼 때, 수냉식 시스템이 공냉식 시스템보다 훨씬 좋은 성능을 보인다. 마일드 하이브리드 시스템은 손실이 작기 때문에 강제 공냉식으로 식힐 수 있다. 그러나 풀 하이브리드 시스템은 방열을 위해 수냉식 시스템이 필요하다.
HEV 애플리케이션용 전력전자

전력 반도체
하이브리드 드라이브의 효율 개선을 위해 전력 반도체의 손실을 줄이는 것이 중요하다. MOSFET 및 IGBT는 HEV 애플리케이션에 주로 사용되는 전력 반도체이다. MOSFET의 스위칭 손실은 유니폴라의 특성으로 인해 IGBT에 비해 현저히 낮다. 결과적으로 높은 스위칭 주파수( >100 kHz)를 갖는 애플리케이션은 MOSFET의 주 영역이 되지만, 낮은 스위칭 주파수(<10 kHz)의 애플리케이션은 일반적으로 IGBT가 사용된다. 또한 유니폴라 특성은 저항성 전달 특성을 나타낸다. 반대로 IGBT의 전달 특성은 IGBT의 pn 접합으로 인하여 약 0.8 V의 문턱전압을 가진다. 이보다 높은 전압에서만 저항성이 나타난다(그림 6).
저항성 부분은 내압과 비례하지만 문턱전압은 이와 무관하다. 그러므로 저전압 애플리케이션에서 IGBT보다 MOSFET이 더 적합하다. 두 기술을 비교하기 위해 동일한 실리콘 면적을 갖는 컨버터의 손실값이 척도로 사용될 수 있다. 그림 7은 다양한 시스템 전압과 스위칭 주파수에 대해, 420 mm2의 실리콘 면적을 갖는 15 kW 컨버터의 시뮬레이션 결과를 보여준다.