SiC MOSFET·다이오드, 최대 2.16% 효율 향상
SiC, 4kW 공조장치서 시스템·전력 사용 비용 ↓
 

전세계적으로 요구되는 에너지 효율 표준이 계속해서 기준이 높아지는 가운데 실리콘카바이드(이하 SiC)가 효율 향상에 큰 역할을 한다는 전문가의 의견이 제시됐다.

울프스피드 이태훈, 함정호 부장은 지난 1일 e4ds 웨비나에서 ‘Wolfspeed SiC의 Heat Pump 및 Air Conditioning 솔루션‘에 대해 발표했다.

함정호 부장은 SiC가 4kW 이상의 Heat Pump와 Air Condtioning 시스템 효율성에 기여할 수 있다고 전했다.

업계에서의 주요 요구사항은 글로벌 효율 규제를 만족, 나아가 더 높은 효율이며 낮은 주파수로 모터 구동 시 발생할 수 있는 노이즈를 감소시키는 것도 요구사항 중 하나다.

위 두 분야에서 SiC가 주목받는 이유는 미국과 유럽에서 요구되는 SCOP 등 에너지 효율 표준은 계속해서 기준이 높아지는 가운데 SiC는 시스템 비용 개선 및 전력 사용 비용 면에서 장점을 가지고 있기 때문이다.

함 부장은 “SiC는 스위칭 소자의 변경을 통해 일부 도움을 얻고 외적 열관리 요소를 통해 최종 효율 개선을 달성할 수 있다”며 “SiC MOSFET과 다이오드를 사용하면 최대 2.16%까지 시스템 효율을 높일 수 있어 SiC가 높아지는 효율 규제에 대해 올바른 방향성을 가지는 것은 분명하다”고 전했다.

전기차 부문에서도 하이엔드로 갈수록 SiC Heat Pump를 채택하는 경향이 늘어나고 있다.

Heat Pump를 적용하면 겨울철 드라이빙 레인지가 약 19% 증가했다는 리포트가 발표되기도 했다.

이는 Heat Pump라는 시스템 자체의 공로지만, SiC MOSFET이 사용되어 효율 향상에 기여했다고 볼 수 있다.

또, SiC는 IGBT 대비 시스템 내 Light Load 조건에서 약 5%의 효율 향상을 기록했다.

EV의 Heat Pump와 Air Conditioning에서 SiC가 요구되는 이유는 시스템이 높은 효율, 우수한 Thermal 퍼포먼스로 인한 낮은 온도 구현, 높은 주파수 사용으로 보다 작은 사이즈를 구현할 수 있기 때문이다

글로벌 에너지 효율 규제를 강조하는 이유는 고효율을 지향하는 미국, 유럽, 중국 등 세계 각 지역의 효율 규제가 SiC 적용의 주된 요인으로 작용하고 있기 때문이다.

캐나다에서는 기름 기반 난방을 금지하는 법안이 발효되어 새로 짓는 건물에 적용되고 있으며, 영국은 2035년 이후 가스 보일러 판매를 금지하는 등 Heat Pump의 전환을 시작했다.

함 부장은 예제로 삼은 시스템 조건을 두 가지 단계로 나누어 설명했다. 

▲ 울프스피드 12월 1일 e4ds 웨비나 발표자료

첫번째는 PFC이다. 실리콘 핀 다이오드를 SiC Schottky 다이오드로 변경한다. 이것이 AC/DC 섹션을 업그레이드하는 가장 쉬운 방법이며, 이를 통해 1.5% 효율 향상을 구현했다.

4KW 시스템 기준 60W의 전력 감소가 이루어진다. 

두 번째 단계는 인버터 부분을 업그레이드하는 것이다.

6개 IGBT를 SiC MOSFET으로 교체하면 0.66% 효율이 향상되었으며 26W의 전력이 감소되었다.

앞의 두 부분을 합치면 86W loss 감소가 이루어졌고 2.16% 효율이 향상되었다.

감소량이 적어보일 수 있으나 전력 요금을 계산하면 일정 기간 이후 SiC로 구성한 시스템이 전력 요금과 신뢰성 부분에서 탁월한 것을 알 수 있다.

또한 함정호 부장은 IGBT와 SiC를 사용한 실제 시뮬레이션 결과를 통해 파워 로스의 차이가 얼마나 되는지 설명했다.

▲ 울프스피드 12월 1일 e4ds 웨비나 발표자료

테스트 컨디션은 4KW 파워 레벨, 50% 동작 Duty Cycle로 진행되었다.

5KHz와 16KHz 스위칭 주파수를 각각 적용했으며 상태에 대한 시뮬레이션을 진행했다.

여기에 사용된 SiC MOSFET은 650V, 60mΩ, 120mΩ이 사용되었고 IGBT는 650V, 30A, 40A를 사용해 스위칭 로스를 비교했다.

그림 왼쪽 아래 막대그래프의 37A를 60mΩ, 22A를 120mΩ으로 해석하면 된다.

5kHz 구동 시 스위칭 로스를 보여주고 있는데, IGBT의 스위칭 로스가 컨덕션 로스보다 작지만 존재하고, 이는 SiC보다 크다.

오른쪽 그래프에서는 16kHz로 높아진 스위칭 주파수에서의 테스트 결과를 보여준다.

IGBT의 경우 스위칭 로스가 세 배 이상 증가한 반면, SiC는 전반적으로 약 두 배 정도의 스위칭 로스 상승이 있으나 로스의 양이 상대적으로 매우 적고, 로스 전체적으로는 10%의 상승만을 보여 IGBT와 큰 차이가 있다.

인버터 시장에서 제조사에게 요구하는 사항은 고효율, 작은 사이즈, 가벼운 무게이다.

표준이 강화되며 기존 IGBT로 효율을 증가시키고자 할 때 어려움이 발생한다.

더 작게, 더 가볍게 구현하려면 스위칭 스피드를 높여야 하는데 스위칭 로스가 증가함에 따라 시스템 효율을 유지하기 힘들다.

SiC는 IGBT를 대체할 가장 효과적인 전력반도체지만 Drop in Replacement 하게 되면 비용이 상승한다.

함 부장은 “195일이면 SiC 대체 비용을 회수할 수 있다”며 “울프스피드는 효율 향상으로 인해 절약되는 전력량에 주목해 전기세로 계산했다”고 전했다.

SiC 변경 시 2.16% 효율 향상을 기준으로 15년간 매일 6시간씩 사용한다고 가정하면 총 2,838kWh를 절약할 수 있다.

SiC의 효율이 2.16% 높다고 할 때 독일의 kWh당 전기세 0.64유로를 기준으로 사용자는 195일을 사용한 후에는 SiC로 추가된 초기 비용을 회수할 수 있다.

한편 울프스피드는 2023년 1월 Speedval KIT를 런칭한다.

디스크리트 디바이스의 혁신을 위한 플랫폼 타입의 개발 툴이다. 하나의 테스트 플랫폼을 사용하여 거의 모든 디스크리트 제품을 지원할 수 있도록 구성했다.

게이트 드라이버를 선택할 수 있도록 울프스피드와 전략적 협의를 맺은 다수의 제조사들의 드라이버가 탑재된 게이트 드라이버를 선택할 수 있다.

토폴로지에 대한 자유도가 있으며 파워 디바이스 카드 등이 슬롯 형태로 삽입되어 다양하고 자유도 높은 구성이 가능하다. 

이를 통해 실험용 프로토타입 모델을 구현할 수 있다.

울프스피드는 또한 기술 지원 플랫폼 Power Application Forum을 소개했다.

울프스피드의 디자인 서포팅 툴 중 하나인 Power Application Forum은 2022년 1월에 시작됐다.

SiC에 관한 질문을 할 수 있으며, 울프스피드 엔지니어들이 답변을 하는 식으로 운영된다.

고객들은 울프스피드의 SiC 파워 전문가들과 소통할 수 있으며, 직접 답변을 하며 참여할 수 있다.

이태훈 부장은 울프스피드 기업에 대해 이야기하며 SiC substrates 생산 세계 1위, 글로벌 SiC 공급 60% 이상을 차지하고 있다고 전했다.

▲ 울프스피드 12월 1일 e4ds 웨비나 발표자료

지금까지 생산된 SiC 90% 이상이 울프스피드에서 생산됐으며 2021년 매출 5억2,500만달러 달성, 지난 분기만 매출 2억4,310만달러를 기록했다고 전했다.

또한 울프스피드는 세계 최초 200mm 웨이퍼를 양산할 수 있는 공장을 설립해 13억달러의 원자재 생산 능력을 보유하게 되었다.

2022년 4월 울프스피드는 Mohawk Valley 웨이퍼 팹(이하 MVF)을 오픈했다.

MVF는 lights out 공장으로 전공정이 전자동화 시스템으로 구성되었으며 IATF 인증도 완료되었다.

MVF는 200mm 웨이퍼 SiC 웨이퍼 제조 공정에서 오버헤드 운송 시스템과 자동 부하 포트를 채택한 최초의 팹이다.

빅데이터 환경을 지원하는 제조 시스템으로 MVF은 완전히 자동화되었다.

생산 공정을 10,000건에서 0건으로 줄여 수율 손실을 최소화하고 악천후에도 연중무휴로 운영된다.

자동화는 향상된 품질 관리와 높은 신뢰성 및 보다 낮은 비용관리의 핵심적 요소다.

MVF는 완전히 밀폐된 웨이퍼 이송으로 세계적인 수준의 자동화된 수준의 자동화 공정을 활용해 품질을 개선하고 수동작업으로 인한 리스크를 줄였다.

최근 발표한 1.8㎢ 규모의 Siler City Factory 첨단 SiC 웨이퍼 설비는 200mm 웨이퍼 생산에 집중하며 울프스피드의 원자재 생산량을 10배 증가시킬 수 있을 것으로 기대하고 있다.