높은 스위칭 주파수로 전력 반도체 제어 시
수동소자 작게 해 전력변환장치 소형화 가능
SiC/GaN 전력 반도체, 도통·스위칭 손실 적어


전자부품연구원(KETI)은 3일, 전력변환장치의 소형화 및 고효율 설계가 가능한 차세대 전력반도체 소자 고성능 구동기술을 개발했다고 3일 밝혔다.

전력변환장치는 전력 반도체의 스위칭 제어를 통해 최소한의 에너지 손실로 AC/DC 변환 등 필요한 형태의 전력을 공급하는 장치다. 스위칭 제어, 즉 전력 반도체의 ON/OFF 제어를 사용하면 전류를 도통/차단함으로써 원하는 형태로 전력을 변환할 수 있다.

최근 사용자의 편의성과 에너지 효율성을 높이기 위해 전력 변환장치의 고효율화 및 소형, 경량화에 대한 설계 요구가 증가하는 추세다.

전력 반도체를 높은 스위칭 주파수로 제어하면 전력 변환장치 내 인덕터, 커패시터 등 수동소자의 크기를 작게 설계해 전력변환장치를 소형화할 수 있다.

기존 실리콘(Si) 계열 전력 반도체는 스위칭 시 에너지 손실이 크기 때문에 주파수를 높일 경우 소형화는 가능하지만, 고효율화가 어렵다. Si 계열 전력 반도체를 적용하는 경우, 전력변환장치의 고효율화와 소형화 간 상충관계가 발생하는 것이다.

현재 전력 반도체 시장의 차세대 소재로 주목받고 있는 실리콘카바이드(SiC)와 갈륨나이트라이드(GaN) 계열 차세대 전력 반도체는 기존 Si 계열에 비해 도통 손실과 스위칭 손실이 적어 높은 스위칭 주파수에서 동작이 가능하다.

그러나 차세대 전력 반도체를 고주파로 동작시킴에 따라, 구동회로 내 기생성분에 의해 전력반도체가 오동작할 수 있으며, 이를 막기 위한 보호회로 구현 또한 어렵다는 문제가 있다.

이번에 KETI 김진홍 박사 연구팀이 개발한 차세대 전력 반도체용 SiC/GaN 계열 구동회로는 최대 수백 kHz의 주파수에서도 스위칭이 가능하다. 기존 전력 반도체 장치의 경우 효율 저하 문제로 수~수십 kHz 내외 주파수에서 구동했었다.

새로 개발한 구동회로는 전력 반도체의 오동작을 검출할 수 있는 회로를 내장해 전력변환장치의 고효율, 소형화 설계가 가능하다. 고주파 구동을 고려해 구동회로의 부품 및 전류 루프 설계를 최적화 하고, 상대적으로 오동작에 취약한 차세대 전력반도체 보호를 위해 별도의 검출회로를 추가해 오류 검출시간을 앞당겼기 때문이다.

KETI는 개발된 구동회로로 90% 내외였던 산업용 충전기기 효율을 6% 향상시키고, 부피와 무게는 30% 줄였으며, 이외 전기차용 인버터, 저전압 충전기 등도 해외 주류제품 대비 30%이상 부피를 줄이는데 성공했다.

김진홍 박사는 “전력변환장치의 고효율, 소형화를 위해서는 차세대 전력 반도체를 안정적으로 구동시킬 수 있는 회로가 필수”라며, “앞으로도 SiC와 GaN 소자 관련 구동기술을 축적해, 세계시장에서 국산 전력변환장치의 경쟁력 확보에 일조하겠다”고 밝혔다.

한편, 이번 기술은 산업통상자원부와 한국에너지기술평가원의 ‘에너지 기술개발사업’으로 지원된 ‘ESS/EV용 모듈화가 가능한 SiC 기반 고효율/고밀도 100kW급 배터리팩 시험기 개발’과제로 개발됐다.