전력 반도체에 와이드 밴드갭 기술인 SiC 사용해 효율 높여

전세계적으로 환경 문제로 인해 연달아 전기차 출시가 되고 있다. 전기차의 문제점인 주행거리 역시 늘고 있다. 이에 따라 내연 엔진(ICE) 차량에 대한 경쟁력을 갖출 수 있게 되었다.

전기차 성공에 대한 중요한 척도는 소비자들의 수용능력이다. 소비자들은 리튬이온 배터리의 가격이 낮아지고 국가별로 규제 지원을 받을 수 있는 것으로 감안할 때, 전기차 가격 보다는 충전 속도는 높이고 충전 시간은 단축하는 문제에 대해 큰 관심을 가지고 있다. 

ICE 차량은 연료 탱크를 가득 채우는 데 5분이 채 걸리지 않는다. 전기차는 배터리 팩을 충전하는 데 오랜 시간이 걸리고 충전소를 찾는데도 문제가 있다. 

그렇다면 그 외의 다른 어떤 방법으로 전기차 충전 속도를 높일 수 있을까? 효율적인 전력 전달과 전력 수준을 높이는 것은 충전 속도를 높일 수 있는 방법 중 하나이다. 배터리는 손상을 방지하기 위해서 정전류 기법으로 충전되는데, 국가들마다의 각기 다른 규제를 가지기에 전류를 높이는 것이 별 효과가 없거나 가능하지 않을 수 있다. 또한 전류를 높이는 것은 와이어링 하네스 문제를 초래하고 자동차 무게를 증가시킬 수 있다.

그러므로 현실적으로 가능한 해결책은 전압을 400V 혹은 그 이상으로 높이는 방법이다. 전력 반도체에 와이드 밴드갭 기술인 실리콘 카바이드(SiC)를 사용함으로써 고전압에서 전력을 효율적으로 전달할 수 있다.

SiC는 실리콘 기반 전력 스위치(MOSFET과 IGBT)를 대체할 수 있는 와해성 소재로서 부상한 광대역 밴드갭 반도체이다. 많은 자동차 회사들과 충전 시스템 업체들은 이미 SiC를 도입하고 있다. SiC는 손실이 낮기에 효율은 높으며 또한 높은 전압을 견딜 수 있다. 그러므로 배터리 전기차의 배터리 전압(400V 이상)이 높아지고 온보드 차저(10kW 이상) 및 오프보드 DC 차저(50kW 이상)로 전력 수준이 높아짐에 따라서 전력 반도체 스위치로인 SiC의 사용이 늘고 있다.

SiC는 더 우수한 소재 특성에 의해서 손실이 낮고 고전압 동작이 가능하다. 표 1에서 보는 것처럼 실리콘과 비교해서 온 저항이 낮고, 열 전도율이 높고, 높은 항복 전압이 가능하고, 포화 속도가 빠르다. 

이러한 특성을 최대한 활용하기 위해서는 SiC 전력 디바이스를 구동하는 방법을 이해하는 것도 중요하다. 컨트롤러는 스위치를 켜고 끄는 것을 제어하여 전체 전력 전자 회로에 걸쳐서 효율적인 전력 전달을 달성할 수 있다. 컨트롤러와 전력 디바이스 사이에 인터페이스로 동작하는 것은 게이트 드라이버이다. 게이트 드라이버가 증폭기처럼 동작해서 컨트롤러 신호를 취하고 이것을 증폭해서 전력 디바이스를 구동한다.

SiC FET의 뛰어난 특성을 활용하기 위해서 적합한 게이트 드라이버를 선택하는 것은 매우 중요하다. 실리콘 MOSFET 또는 IGBT를 구동할 때와는 요구 사항이 다르기 때문이다. 

TI는 샌안토니오에서 개최되었던 APEC 2018 전시회에서 태양광에서부터 자동차 충전에 이르기까지 SiC 솔루션을 사용한 전체적인 에코시스템을 전시했다. △HEV/EV 온보드 차저 용의 98.5% 효율, 6.6kW 토템폴 PFC 레퍼런스 디자인, △2레벨 턴오프 보호를 적용한 자동차용 듀얼 채널 SiC MOSFET 게이트 드라이버 레퍼런스 디자인, △태양광 스트링 인버터용 10kW 3위상 3레벨 전력망 연결 인버터 레퍼런스 디자인을 선보였다.