반도체 기술 탐구: 자동차용 전력 반도체

하이브리드카나 전기차는 상당한 양의 전력반도체를 사용한다. 현재는 이러한 전력 소자 대부분이 Si 기반이다. 하지만 실리콘이 점점 한계에 도달함에 따라 SiC가 대안으로 부상하고 있다. SiC를 사용함으로써 신뢰성이나 경제성 측면에서 이전의 한계를 거의 극복할 수 있게 됐다. 이제는 SiC 기술이 무르익음으로써 자동차에도 활용할 수 있게 됐다.

자동차의 전기화(Electrification)는 계속되고 있다. 플러그인하이브리드카나 순수 전기차(xEV)는 매우 효율적인 전력반도체를 필요로 한다. 전통적인 실리콘(Si) 칩에 비해서 많은 이점을 제공하는 실리콘카바이드(SiC)는 산업용 애플리케이션뿐만 아니라, 이제 자동차에도 활용할 수 있게 됐다. SiC는 효율과 전력 밀도가 우수하므로 배터리를 소형화하고, 시스템 크기와 무게를 줄이고, 더 빠르게 충전할 수 있으며, 궁극적으로 전기차 확산을 가속화할 것이다. 기술의 발전으로 SiC 반도체는 xEV 서브시스템에 점점 더 많이 사용될 것이다.

 

현재 전력 모듈과 디스크리트 솔루션은 주로 실리콘 기반 다이오드, MOSFET, IGBT를 사용한다. 이와 비교해, xEV 드라이브트레인에 SiC 회로를 사용하면 동일한 전력 정격으로 칩 크기를 훨씬 줄일 수 있다. 또한 SiC 기술을 사용하면 열 손실을 낮출 수 있다. 그러므로 이전 시스템과 비교해서 더 효율적이고, 더 가볍고, 더 콤팩트한 애플리케이션을 달성할 수 있다. SiC가 적합한 대표적인 애플리케이션으로는 메인 인버터, 온보드 차저, 부스터, DC/DC 컨버터 등을 들 수 있다(그림 1).

 

 

 

SiC, 이제 자동차에도 활용

 

지난 20년 넘게 SiC 반도체는 다양한 애플리케이션에 사용돼 왔다. 하지만 자동차에 활용하기에는 몇 가지 극복해야 할 과제가 있었다. 이 신기술을 자동차에도 효과적으로 활용하기 위해서는 두 가지 측면을 충족해야 했다. 높은 신뢰성과 경제성이다.

SiC MOSFET 스위치의 경우에, 지난 몇 년 간 가장 큰 걸림돌은 신뢰할 수 있는 게이트산화막을 개발하는 것이었다. 최근 들어 디자인(트렌치 기법 등)과 제조 공정이 혁신적으로 발전함에 따라 이들 디바이스는 자동차 업계가 요구하는 신뢰성 수준을 달성할 수 있게 됐다.

또한 SiC는 베이스 소재 제조(웨이퍼)가 훨씬 더 복잡하므로 제조할 수 있는 웨이퍼 직경이 더 작으며(그림 2), 웨이퍼 당 더 많은 결함을 발생시킬 수 있고, 비용이 더 많이 든다. 실리콘 결정은 높은 순도로 성장시킬 수 있는 것과 비교해서, SiC 웨이퍼는 결함 밀도가 중요한 해결 과제였다. 하지만 최근 몇 년 사이에 기술이 크게 발전함으로써 결함 밀도를 현저히 낮출 수 있게 됐다. 그럼으로써 더 넓은 칩 면적이 가능하게 되었고 전력 패키지로 수월하게 집적할 수 있게 됐다.

 

과거에는 대부분 SiC 회사들이 소규모 전문 반도체 회사였으며 비교적 소량만을 생산했다. 또한 자동차 분야의 경험이 많지 않았다. 그러므로 규모의 경제가 이루어지지 않았다.

이제 이러한 상황이 완전히 바뀌고 있다. 고품질 6인치 웨이퍼가 가능함으로써 생산성이 크게 향상됐다. 또한 자동차 시장에서 SiC의 성장 잠재력을 인식한 주요 반도체 회사들이 이 시장으로 진출하고 있다.

 

 

손실 2/3 감소

 

기존 실리콘 기반 고전압 IGBT나 MOSFET(600V 이상)과 비교해서 SiC 디바이스는 여러 가지 이점을 제공한다. 예를 들어 IGBT와 비교해서 SiC MOSFET은 트레일 효과(trail effect)를 일으키지 않으며 순방향 회복(forward recovery)이나 역방향 회복(reverse recovery)을 거의 필요로 하지 않는다. 그러므로 스위칭 손실이 실리콘에 비해서 훨씬 낮을 뿐만 아니라 온도에 대해서 종속적이지 않다(그림 3a).

SiC 쇼트키 다이오드도 마찬가지다. 높은 스위칭 속도와 극히 낮은 역복구전하(Qrr)가 스위칭 손실을 낮춘다. 그러므로 최종 제품의 크기를 효과적으로 줄일 수 있다. SiC 쇼트키 다이오드는 온보드 차저 시스템의 역률 보정(Power Factor Correction, PFC) 회로 등에 사용하기에 적합하다.

스위칭 손실이 적다는 점 이외에도, SiC MOSFET은 전도 손실 측면에서도 유리하다. 실제로 IGBT는 다이오드적인 특성을 나타내는 것에 반해서, SiC MOSFET은 저항과 유사한 출력 특성을 나타낸다. 이러한 한계 없는 온 상태(on-state) 특성에 의해서 부분 부하(partial load) 범위로 전도 손실을 감소시킨다(그림 3b).

SiC MOSFET의 이러한 이점은 온보드 차저나 DC/DC 컨버터에 적합하다. 높은 스위칭 주파수 덕에 더 작은 크기의 수동소자를 사용할 수 있기 때문이다. 20kHz 아래의 스위칭 주파수가 일반적인 인버터 애플리케이션에도 적합하다. 인버터 애플리케이션은 주로 부분 부하일 때의 동작에 의해서 효율이 결정된다. SiC MOSFET은 인버터의 평균 열손실을 최대 2/3까지 감소시킨다.

 

출처: AEM

 

뜨리스땅

 

 

 

https://tristanchoi.tistory.com/281

반도체 기술 탐구: 전력반도체 개요