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【Zoom In】 SiC로 진화하는 차량용 온보드충전 기술
2021-06-01

SiC로 진화하는 차량용 온보드충전 기술

최근 전기차 수요가 폭증하며 SiC(Silicon carbide, 탄화규소, 실리콘 카바이드) 소재로 한 전력반도체 수요가 증가하고 있다. 전력반도체는 배터리의 직류를 교류로 바꿔주는 인버터의 핵심 부품이다. 그동안 가격이 저렴한 실리콘(Si)을 주로 사용해 왔지만, 최근 고전압, 고전류, 고온에서 작동 가능한 SiC 소재가 각광받으며 관련 기술 개발이 한창이다. 특히, SiC 반도체가 적용되는 온보드 기술도 매년 성장하고 있다. 최근 추세를 놓고 보면 2024년까지 온보드 충전(On Board Charger, OBC) 분야의 연평균 예상 성장률(CAGR)은 38.6% 이상으로 예측된다. 이에 따라 OBC 모듈을 설계하는 글로벌 자동차 기업 입장에서는 시스템 효율을 개선하거나 신뢰성이 높은 새로운 토폴리지를 정의하는 것이 시급한 과제가 됐다.

정리 김수진 자료 온세미컨덕터

단상 입력 AC 시스템을 위한 역률 보정(PFC) 토폴로지는 전통적인 단일 채널 부스트 컨버터다. 이 솔루션에는 입력 AC 정류를 위한 ‘다이오드 풀 브리지’(iode full-bridge)와 부하의 역률을 높이기 위한 PFC 컨트롤러가 포함돼 효율성을 개선하며 AC 입력 전원에 발생할 수 있는 고조파를 저감한다. PFC 부스트 토폴로지가 인기 있는 이유는 설계 용이성과 낮은 구현 비용 및 안정적인 성능 등 장점 덕분이다. 그러나 이는 다이오드 브리지 정류기의 전도 손실이 불가피하고 차량이 AC 전력단에 전원을 다시 공급케 하는 양방향 작동을 지원하지 않는다. 다수의 부스트 회로를 인터리빙(interleaving)하는 기존의 멀티채널 인터리브드 부스트 컨버터를 사용하면 일부 시스템 성능 매개 변수를 개선할 수 있지만, 입력단의 다이오드 브리지는 여전히 필요하다. 
역률 보정(PFC) 토폴로지
브리지리스 토템 폴 PFC
PFC 내의 전력손실 분포도

SiC MOSFET의 이점
PFC 내의 전력손실 분포도 차트는 입력 다이오드 브리지의 전력 손실이 PFC 내의 다른 구성요소의 손실보다 큰 것을 알 수 있다.

OBC 시스템의 효율성을 개선하기 위해 기존의 PFC, 세미-브리지리스 PFC, 양방향 브리지리스 PFC, 토템 폴 브리지리스 PFC를 비롯해 서로 다른 종류의 PFC 토폴로지들이 연구돼 왔다. 간소화된 구성요소, 전도 손실의 감소, 고효율 등의 특성은 토템 폴 PFC의 인기가 특히 많은 이유다.

기존 실리콘(Si) MOSFET은 바디 다이오드의 역회복 특성이 좋지 않아 토템폴 PFC 토폴로지에서 연속전도모드(CCM)로 작동하기 어렵다. 실리콘 카바이드(SiC) MOSFET은 Si MOSFET에 비해 우수한 스위칭 성능과 작은 역회복 시간, 낮은 RDS(On) 및 높은 신뢰성을 제공하는 등 완전히 새로운 기술을 사용한다. 또한 소형의 칩 크기를 통해 디바이스에 낮은 캐패시턴스와 낮은 게이트 총전하량(QG)을 보장한다.

OBC 설계를 위한 또 다른 어려움은 차체 내 해당 모듈을 위한 공간이 제한된 점이다. 전력 요구량과 배터리 전압은 점점 증가하고 있지만 필요한 출력을 공급하면서 물리적인 크기의 요구 사항까지 충족하는 OBC를 설계하는 것은 점점 더 어려워지고 있다. 지금까지 엔지니어는 OBC에 사용되는 기술과 전력, 크기 및 효율성 사이의 상충되는 부분을 용인해야 했지만 SiC는 이러한 설계 상의 고충을 해결한다. 스위칭 주파수가 높은 SiC를 사용하면 엔지니어는 보다 작은 크기의 인덕터를 사용해 이전과 동일한 인덕터 리플 전류 요구량을 달성할 수 있다.
더 높은 주파수에서 스위칭 할 수 있는 기능, 증가된 전력 밀도, 더 높은 효율성, EMI 성능 개선 및 시스템 크기 감소 등은 OBC 시스템에서 SiC MOSFET 사용 시 누릴 수 있는 이점이다. 오늘날에는 SiC를 널리 사용할 수 있으므로 엔지니어는 설계에 토템 폴 PFC를 포함해 성능을 향상시킬 수 있다.
6.6 ㎾ 인터리브드 토템 폴 PFC 평가 보드

새로 출시된 OBC 평가 보드용 6.6kW 토템 폴 PFC는 다중 채널 인터리브드 브리지리스 토템 폴 PFC 토폴로지에 대한 레퍼런스 디자인을 제공한다. 이 디자인은 각각의 고속 스위칭 부에 절연형 고전류/고효율 IGBT 드라이버(NCV57000DWR2G)와 2개의 고성능 SiC MOSFET(NVHL060N090SC1)로 구성된다. 또한 낮은 스위칭 부에는 모노리틱 하이·로우 사이드용 게이트 드라이버 IC(FAN7191_F085)에 의해 제어되는 2개의 650V N-채널 파워 MOSFET SPEPT III(NVHL025N65S3) 디바이스가 적용됐다.

토템 폴 토폴로지에 구성된 이러한 고성능 SiC MOSFET으로 시스템은 통상 97%의 효율성을 달성한다. 해당 설계는 다른 DC 소스 없이도 PFC 보드나 제어 보드의 모든 회로에 공급할 수 있는 비절연형 보조 전원, 하드웨어 OCP(Over Current Protection) 및 하드웨어 OVP(Over-Voltage Protection)를 포함한다. 유연한 컨트롤 인터페이스는 다양한 제어보드의 용도에 알맞게 사용 가능하다. 
 6.6kW 인터리브드 토템 폴 PFC 평가 보드 블록 다이어그램

SiC, 고온에 강해 전기차 적용 대세 
SiC는 실리콘(Si)과 탄소(C)로 구성된 화합물이다. 결합력이 매우 강하고 열이나 물리적으로 안정적이다. 실리콘 반도체 대비해 손실 저감 및 고온의 환경에서도 동작 특성이 우수해 최근 SiC를 활용한 전력반도체 개발이 한창이다.
 
특히 전기차 산업군의 SiC 전력반도체에 대한 관심이 뜨겁다. SiC의 높은 효율과 전력밀도의 장점을 바탕으로 배터리의 소형화와 빠른 충전을 가능케 하기 때문이다. 기존의 Si 반도체는 고온에서 동작이 되지 않아 냉각시스템에서 많은 에너지를 사용해야 한다는 단점이 있다. 이때 자동차의 PCU에 SiC 반도체를 대체하게 되면 고온에서 작동이 가능하고 냉각에 소모되는 에너지를 줄이며 연비가 높아진다. 때문에 유럽의 까다로운 환경규제에 부합하고 이산화탄소 배출량 감소 같은 공해문제에서도 대안이 된다는 장점을 갖췄다.

한국전기연구원에 따르면 SiC 전력반도체로 인버터를 제작하면 인버터의 무게를 줄이고 부피도 줄일 수 있다. SiC는 실리콘에 비하여 훨씬 높은 주파수로 동작할 수 있기 때문이다. 로옴(Rohm)사가 제시한 자료에 따르면 220 ㎾급-테슬라 모델3급- 전기차에 SiC 반도체를 적용하면 인버터의 부피는 43 %, 무게는 6 ㎏ 줄어든다. 

SiC는 메인 인버터, 온보드 차저, 부스터, DC/DC 컨버터 등에 활용가능하다. 하지만 SiC는 제조 웨이퍼 직경이 기존 Si보다 훨씬 작으며 웨이퍼 당 더 많은 결함을 발생시키고 비용이 더 많이 든다는 단점이 있다. 때문에 SiC 활용을 높이기 위해서는 전력모듈에 맞는 최적화한 패키지 기술이 필요하다.

합종연횡, 역동적인 시장
현재 세계 SiC 기업들의 전력반도체 시장 확보가 치열하다. 전기차 전력반도체 시장만 놓고 봐도 몇 년 전까지만 해도 아예 존재조차 하지 않았던 시장이었으나, 최근 폭발적인 성장으로 지난해부터는 공급까지 부족할 정도로 가장 핫한 시장이다. 미국기업의 대 중국 금수 품목에 포함되는 등 미중 기술전쟁의 핵심이기도 하다.
 
미국 온세미컨덕터는 페어차일드를 인수합병하며 전기차용 SiC 전력반도체를 출시하는 등 공격적으로 시장 점유에 나서고 있다. 또한 스위스의 ST마이크로일렉트로닉스는 테슬라 전기차에 SiC 모스펫 파워모듈을 공급 중이며 일본의 로움은 SiC 전력반도체 공장을 증설하는 등 수요증가에 대처하고 있다. 독일의 인피니언은 전력반도체 회사인 인터내셔널 렉티파이어(International Rectifier)와 독일 SiC 소재 업체 실텍트라(Siltectra GmbH)를 인수하는 등 글로벌 SiC 관련 기업들이 발 빠르게 시장 점유에 나서고 있다.
 
글로벌 전기차 기업들도 직접 해당 기술 개발에 나서는 추세다. 지난해 현대차도 SiC 전력반도체 공동개발 연구실을 마련하기도 했다. 현대차 남양연구소 전력변환설계팀와 현대모비스 전력변환설계팀이 함께 참여해 사양 설계 및 제품 평가, 시스템 평가 등을 공동 개발에 나서고 있는 것.

한편 현대자동차와 기아는 지난 5월 전기차 ‘아이오닉 5’, ‘EV6’에 SiC 전력반도체를 적용한다고도 밝혔다. 현대차에 따르면 이번에 적용한 SiC 전력반도체는 전기차 컨버터에서 더 높은 효율을 자랑한다. 800 V 배터리 시스템과 대용량 배터리를 탑재한 차량의 트랙션 컨버터 용 모듈을 최적화한다. 특히 SiC의 낮은 스위칭 손실을 통해 인버터 작동 손실을 약 60 %까지 줄였다. 이를 통해 책정된 주행거리보다 5 % 가량 늘어날 것으로 회사 측은 예측하고 있다.

현대차그룹 최우석 전동화개발센터장은 전력반도체 소재변경 이유에 대해 “충전시간 단축에 대한 니즈와 주행거리 증가를 위해 대용량 배터리 탑재는 필수인데 이를 위해 충전속도가 3배 이상 빠른 800 V 고전압 충전 시스템을 개발하게 됐다”며 “이를 위해 Si보다 더 적합한 SiC를 적용한 전력반도체를 활용한 SiC 파워모듈을 적용한 것”이라고 밝혔다.

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