장거리 전기 자동차를 위한 SiC 전력 소자의 효과적인 구현

전기 자동차와 하이브리드 전기 자동차(EV/HEV)의 배터리는 많은 주목을 받고 있지만, 엔지니어링 현장에서는 기본 모터 구동, 기판 실장 및 외장형 충전기, 전력 사용, 재생식 브레이크 등의 기능을 포함하는 전체 전력 관리용 서브 시스템이 EV 성능 향상에 있어 모두 똑같이 중요합니다. EV의 수요가 지속적으로 증가하면서 EV 배터리를 최적화하고 차량의 주행 거리를 늘릴 수 있는 향상된 부품을 개발하고 채택하는 것이 매우 중요해졌습니다.

표준 금속 산화 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET) 전력 제어 장치에서 실리콘 카바이드(SiC) 기판 및 공정 기술 기반 FET로의 전환은 EV의 효율성 및 시스템 차원 특성의 개선에 큰 진전을 나타냅니다. 하지만 SiC 장치의 이점을 완벽하게 실현하기 위해서는 중요 사양과 구동 요구 사항을 다시 파악해야 합니다.

이 기사에서는 EV 및 HEV의 전력 요구 사항을 요약하고, SiC 기반 전력 소자가 이 기능에 적합한 이유를 설명하고, 보완 장치 드라이버의 기능을 명확히 살펴봅니다. AEC-Q101 표준이 개별 자동차 인증 장치에 미치는 영향을 간단히 살펴본 후 ROHM Semiconductor의 두 AEC 인증 SiC 전력 소자를 소개하고 성공적인 설계를 위해 고려해야 하는 주요 특성을 강조하여 보여줍니다.

EV 및 HEV 구동

고급 운전자 지원 시스템(ADAS), 파워 윈도우, 도어, 미러, 내부 네트워크 및 연결, 레이더, 엔터테인먼트 시스템, GPS 등과 같은 기능을 지원하기 위해 내연(IC), EV, HEV 등 모든 차량의 전력 서브 시스템 수요가 기하급수적으로 증가하고 있습니다.

IC 차량의 주 전원은 일반적으로 표준 12V, 100Ah ~ 200Ah 납축 배터리입니다. 하지만 EV 배터리의 요구 사항에 비해 전력이 크지 않아서 “원동력” 전력을 추가로 제공해야 합니다(그림 1). 따라서 EV의 배터리 팩 용량 범위는 차량 기능, 크기 및 벤더에 따라 200V ~ 300V의 일반 전압에서 50kWh ~ 150kWh입니다. 같은 유형 간 비교를 위해 Ah = (kWh × 1,000)/V 수식에 따라 이 값을 Ah로 변환합니다.

그림 1: EV의 배터리 기반 전력 서브 시스템은 운전자가 기대하는 많은 최신 표준 기능과 함께 제동 모터 및 관련 기능에 전력을 공급합니다. (이미지 출처: ROHM Semiconductor)

내부 기능 및 충전을 위한 많은 소형 DC/DC 컨버터 외에도 많은 EV가 직류(DC)/AC 컨버터를 통해 가변 주파수 교류(AC)를 사용하여 제동 모터를 구동합니다. 제동 모터의 정격 전력 범위는 약 150hp(저사양 차량) ~ 500hp 이상(최고급 테슬라)입니다. 1마력은 약 750W이므로 모터에는 상당한 양의 전류가 필요합니다.

전력 서브 시스템의 전체 효율은 다양한 요소에 따라 결정되지만 가장 중요한 요소는 스위칭 조정기의 성능입니다. 스위칭 조정기는 원시 배터리 전력을 사용하여 배터리 충전과 구동렬에 필요한 전압/전류로 변환합니다.

이유는 간단합니다. 수백 암페어의 전류 레벨에서 기본 전류-저항(IR) 강하는 중요한 파라미터가 됩니다. 예를 들어 100A에서 단 100mΩ의 온스테이트 저항(R_DS(ON))도 두 가지 점에서 결정적입니다. 첫째, 10V의 결과적 손실 가능성, 둘째, 100W의 내전력(I²R)이 관리되어야 합니다. 또한 이러한 R_DS(ON) 손실과 함께 DC/AC 및 DC/DC 컨버터에서는 방출할 열 부하를 높이면서 효율성과 배터리 수명을 떨어뜨리는 스위칭 손실도 발생합니다.

SiC를 고려하는 이유

이러한 정적 손실로 인해 IR 강하와 I²R 손실을 줄이기 위한 두 가지 잘 알려진 방법이 있습니다. 1) 온스테이트 저항을 줄이고 2) 시스템 작동 전압을 높여서 주어진 양의 전력을 부하로 전달하는 데 필요한 전류를 줄입니다. 동적 스위칭 손실의 경우 중요한 요소는 장치 물리학, 스위칭 주파수 및 기타 요소와 관련된 손실을 줄일 수 있도록 장치를 개선하는 것입니다.

지난 수십 년 동안은 실리콘(Si) 기반 MOSFET 및 절연 게이트 양극 트랜지스터(IGBT)가 전원 스위칭 장치로 널리 사용되었습니다. 기술적인 발전으로 성능이 크게 향상되었지만 이제 거의 정체기에 도달했습니다. 동시에 EV가 생존 가능하고 매력을 끌기 위해서는 스위칭 장치의 사양이 지속적으로 개선되어야 합니다.

다행히 지난 수십 년 동안 다른 무접점 MOSFET 공정 기술이 완성되었습니다. 이 기술은 기본 실리콘만 사용하는 대신 동일한 양의 실리콘과 탄소를 전자쌍 공유 방식으로 결합한 실리콘 카바이드(SiC) 소재를 기반으로 합니다. 100가지 이상의 SiC 폴리타입(고유한 구조)이 있지만 생산 및 공정상의 이유로 인해 4H 및 6H 타입이 가장 널리 사용됩니다.

SiC MOSFET은 Si 전용 MOSFETS에 비해 우세한 다양한 주요 특성을 제공합니다.

• SiC는 Si에 비해 약 8배 더 높은 임계 전기장을 제공하여 전력 반도체 장치에 적합합니다. 높은 유전체 강도로 인해 다이를 훨씬 더 얇게 만들 수 있으므로 레벨을 훨씬 더 높여서 손실을 줄일 수 있습니다.
• SiC는 Si에 비해 열전도율이 약 3배 더 높으므로 소재 전반에서 온도 강하가 훨씬 낮은 전도체를 통해 발생하는 열을 전달할 수 있습니다.
• SiC는 매우 높은 용융 온도를 나타내므로 400°C 이상에서도 잘 작동합니다(표준 Si는 150°C로 제한됨). 이렇게 높은 작동 온도로 인해 냉각 요구 사항이 매우 간소화되어, SiC 장치는 전도 및 대류 열 흐름을 지원하는 데 충분한 온도 차이가 존재하는 높은 주위 온도 환경에서도 작동할 수 있습니다.
• SiC는 실리콘 장치보다 2배 ~ 3배 더 높은 최대 전류 밀도를 지원하므로 주어진 전력 레벨에서 부품 비용과 시스템 비용을 모두 줄일 수 있습니다.

표 1에 표시된 바와 같이 표준 실리콘, 4H SiC 및 6H SiC의 임계 물리 레벨 전기적 속성 사양은 큰 차이가 있습니다. SiC는 밴드갭 에너지 및 임계 전기장 값이 더 높아서 더 높은 전압에서도 작동할 수 있는 반면에 전극 및 구멍 이동성 계수는 더 낮아서 스위칭 손실을 줄이고 더 높은 주파수에서 작동할 수 있습니다. 또한 필터와 수동 부품을 줄일 수 있습니다. 동시에 열전도율과 작동 온도는 더 높아서 냉각 요구 사항이 간소화됩니다.

표 1: 기본 소재 레벨에서 실리콘, 두 가지 유형 SiC 및 다이아몬드(비교용)의 주요 전기적 속성 (표 출처: Semantic Scholar)

SiC 완성도 및 AEC-Q101

하지만 SiC 장치가 이론적인 가능성에서 실현되기까지 순탄하지 않았고 쉽지 않았습니다. 그러나 지난 10년간 SiC 기반 MOSFET이 완성되었습니다. 수 세대에 걸쳐 공정을 개선하고 많은 구조적 변경을 거쳐 진화했습니다.

예를 들어 ROHM Semiconductor는 자동차 응용 분야에서 널리 채택되고 있는 2세대 SiC 장치를 오랫동안 제공했습니다. 이 2세대 장치를 비롯하여 대부분의 표준 SiC MOSFET은 셀 크기를 줄이면 내부 FET 저항의 하한에 근접하는 평면형 구조를 사용합니다(그림 2). 반대로 ROHM의 3세대 제품은 게이트와 소스 아래에 형성된 이중 트렌치 구조를 활용하여 채널 크기와 온스테이트 저항을 모두 효과적으로 줄일 수 있습니다.

그림 2: ROHM의 SiC 장치의 2세대에서 3세대로 전환에는 공정 향상과 주요 구조적 변경이 포함되어 있습니다. (이미지 출처: ROHM Semiconductor)

ROHM의 3세대 SiC MOSFET은 독점 트렌치 게이트 구조를 활용하여 기본 평면형 SiC MOSFET에 비해 온 스테이트 저항을 50% 줄이고 입력 정전 용량을 35% 줄였습니다. 그 결과 스위칭 손실을 현저하게 낮추고 스위칭 속도를 개선하여 효율성이 향상되었습니다. 또한 600V 및 900V 장치에 비해 이 1200V/1800V SiC MOSFET은 바디 다이오드를 통한 복구 손실이 적고 칩 공간과 패키지 크기가 작은 것이 특징입니다.

AEC 표준 준수

SiC 장치의 완성도와 여러 세대에 수반되는 다른 이슈로 AEC-Q101 표준을 완벽하게 준수할 수 있다는 것입니다. 이 표준은 자동차 전자 장치의 신뢰성 테스트를 담당하는 미국 전자 부품 제조업체와 주요 자동차 제조업체들로 구성된 자동차 전자 장치 협회(AEC)의 사양을 기반으로 합니다. 주요 프로토콜은 다음과 같습니다.

• AEC-Q100(IC 장치)
• AEC-Q101(MOSFET 등 이산 소자 부품)
• AEC-Q102(이산 소자 광전자)
• AEC-Q104(다중 칩 모듈)
• AEC-Q200(수동 소자 부품)

AEC-Q101 표준은 산업 분야에서 널리 사용되는 것보다 훨씬 더 엄격합니다. AEC 사양은 표 2와 같이 등급을 설정합니다. SiC 장치는 0등급(-40°C ~ +150°C)을 충족하고 Si 전용 장치는 일반적으로 0등급을 충족할 수 없습니다. 1등급은 인캐빈 응용 분야에 적합하며 -40°C ~ +125°C 주위 온도 범위에서 장치의 안정적인 작동을 보장하지만, 동력 전달 장치와 언더후드 상황에서는 0등급이 요구됩니다.

표 2: AEC 신뢰성 자격 표준은 상업용 및 산업용 응용 분야에 사용되는 것보다 훨씬 더 까다롭습니다. (표 출처: Texas Instruments)

일부 벤더는 산업용 응용 분야에서 향상된 신뢰성을 보장하기 위해 AEC-Q100 사양을 사용하는 경우가 증가하고 있다고 합니다. 자동차에서 전자 장치 및 부품의 폭넓은 채택으로 산업 대 자동차 가격 차이가 크게 감소했으므로 비용적 측면에서 실용적입니다.

SiC 장치는 중전류 및 고전류 설계를 지원합니다.

SiC 장치는 EV의 고전류 응용 분야만을 위한 것이 아닙니다. 구동렬 이외에 SiC MOSFET의 특성을 활용할 수 있는 많은 저전력 기능(전동 시트/파워 윈도우, 열선 시트, 실내 히터, 배터리 예열기, AC 모터, 파워 스티어링 등)이 있습니다.

예를 들어 ROHM의 SCT3160KL은 최대 17A의 부하에 최적화된 N채널 SiC 전력 MOSFET입니다(그림 3). 이 MOSFET은 단 16mm(w) x 21mm(h) x 5mm(t) 크기의 TO-247N 패키지에 실장되며, 방열판에 쉽게 추가할 수 있는 열 탭이 후면에 포함되어 있습니다(그림 4). 최상위 사양은 중간 전류 및 전력 요구 사항에 적합합니다(표 3).

그림 3: ROHM의 SCT3160KL은 최대 17A의 부하에 적합한 기본 N채널 SiC 전력 MOSFET입니다. (이미지 출처: ROHM Semiconductor)

그림 4: SCT3160KL은 16mm × 21mm × 5mm 패키지로 제공되며 향상된 방열 잠재성을 제공하는 후면 열 탭이 포함되어 있습니다. (이미지 출처: ROHM Semiconductor)

표 3: 기본 사양 SCT3160KL은 EV의 다양한 소형 부하 또는 다른 응용 분야의 전력 요구 사항에 적합합니다. (표 출처: ROHM Semiconductor)

최대 안전 작동 영역(SOA) 그래프는 이 SiC 장치가 고전압 스위칭 공급 장치 및 조정기에 일반적인 펄스 작동 주기에 얼마나 적합한지를 보여줍니다(그림 5).

그림 5: SCT3160KL의 SOA 이미지는 드레인 전류, 드레인 소스 전압 및 펄스 전력 처리의 최대 한도를 설정하고 제한합니다. (이미지 출처: ROHM Semiconductor)

SiC 기반 장치의 이점은 고전류 레벨에서 가장 명확히 나타납니다. TO-247N 패키지의 N채널 SiC 전력 MOSFET인 ROHM의 SCT3022AL을 고려해보십시오. 기본 사양(표 4) 및 SOA(그림 6)는 낮은 온스테이트 저항과 높은 정격 전류로 인해 이 MOSFET이 EV의 모터 구동 전력 변환, 배터리 관리 및 충전 배터리 팩에 적합함을 보여줍니다.

표 4: ROHM의 SCT3022AL N채널 SiC 전력 MOSFET은 낮은 온스테이트 저항 값과 기타 특성으로 인해 고전류 설계에 적합합니다. (표 출처: ROHM Semiconductor)

그림 6: SCT3022AL N채널 SiC 전력 MOSFET의 SOA 구성도는 상대적으로 높은 전류 및 전력 레벨을 효율적으로 지원하는 것을 명확히 보여줍니다. (이미지 출처: ROHM Semiconductor)

SiC FET을 보완하는 게이트 드라이버

실리콘 MOSFET, SiC FET, IGBT 등 무엇이든 상관없이 전력 소자는 전력 변환/제어 설계 방정식의 일부에 지나지 않습니다. 실제로 고전력 “신호 체인”을 작동하려면 컨트롤러, 게이트 드라이버, 전력 반도체 등 세 가지 기능이 사용됩니다.

SiC 장치는 구동의 관점에서 Si 장치(및 IGBT)와 비슷한 특성을 공유하지만 중요한 차이를 나타내기도 합니다. 예를 들어 SiC MOSFET의 낮은 트랜스콘덕턴스로 인해 선형(저항) 영역에서 포화 영역으로의 전이가 Si 장치처럼 명확히 정의되지 않습니다. 따라서 SiC 장치의 경우 온스테이트 게이트 소스 전압(V_GS)은 20V를 초과하고 오프스테이트 값은 -2V ~ -5V 사이입니다(V_GS 임계값에 저잡음 한계가 포함됨).

SiC 구동기는 다음이 필요합니다.

• 낮은 전도 손실을 통해 높은 효율성을 실현할 수 있는 상대적으로 높은 공급 전압(25V ~ 30V)
• 높은 구동 전류(일반적으로 >5A) 및 저임피던스, 빠른 슬루 구동기(전류가 게이트 정전 용량에서 유입되거나 발생될 때 스위칭 손실을 줄이기 위한 시간별 순간 전압 변화율(dV/dt) 지원)
• 빠른 단락 보호(일반적으로 <400ns 응답), SiC 장치가 Si 장치보다 더 빠르게 전환됨
• 전파 지연 값 및 단위 간 스큐 감소(높은 효율)
• 고전류, 고전압 작동 환경에서 강력한 작동을 보장하는 매우 높은 dV/dt 내성

SiC 기반 FETS, Si MOSFET 및 IGBT의 차이점은 다음 표에 요약되어 있습니다.

표 5: Si 기반 MOSFET 및 IGBT의 구동 요구 사항은 비슷하지만 SiC 장치 드라이버 사양은 차이가 많이 납니다. (표 출처: Texas Instruments)

다양한 다른 시스템 토폴로지 요소와 함께 이러한 장치가 작동하는 높은 전압으로 인해 연면거리 및 공간거리 크기 관련 규제 문제가 일반적으로 설계 기준에 포함됩니다. 또한 컨트롤러와 전력 소자 사이를 거의 항상 전기적(저항)으로 분리해야 합니다.

별도의 독립 부품을 컨트롤러와 구동 장치 사이에 배치하거나 다중 칩 구동에 내장하여 분리할 수 있습니다. 후자를 선택하면 전체 실장 면적은 더 작아지지만, 일부 설계자는 독립 절연기를 선호하기 때문에 성능 사양과 함께 분리 기술(예: 자기, 광학, 정전 용량)을 선택할 수 있습니다.

예를 들어 Texas Instruments의 UCC27531-Q1은 SiC(및 기타) 장치를 위한 AEC-Q100 인증(1등급) 비절연 단일 채널 고속 게이트 드라이버입니다(그림 7). 최대 2.5A(소스 모드) 및 5A(18V V_DD 싱크 모드)의 피크 전류 구동을 제공합니다. 비대칭 드라이브 모드의 강력한 싱크 기능은 기생 밀러 턴온 효과에 대한 내성을 향상합니다. 일반 17ns(typ.) 전파 지연과 15/7ns의 빠른 상승/하강 시간 및 1800pF 구동 부하로 인해 SiC 장치에 적합합니다.

그림 7: Texas Instruments의 비절연 UCC27531-Q1 게이트 드라이버는 SiC 스위칭 장치의 기술 요구 사항에 적합합니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

이 작은 6리드 SOT-23 구동기는 단순한 기능을 제공하는 간단한 부품처럼 보이지만 효과적인 구동을 위해서는 SiC 장치의 특정 요구 사항에 대한 세부적인 주의가 필요합니다.

장치의 출력 단계에서 가장 필요할 때 가장 높은 피크 소스 전류를 제공할 수 있는 고유한 아키텍처를 구현합니다. 이는 전원 스위치 켜기 전환의 밀러 플라토 영역 중에 전원 스위치 드레인/콜렉터 전압이 최대 dV/dt를 발생할 때에 해당됩니다(그림 8). 이를 위해 출력 상태가 낮음에서 높음으로 변경되고 게이트 드라이버가 피크 소스 전류를 잠시 강화할 수 있는 잠시 동안 N채널 MOSFET을 켭니다.

그림 8: Texas Instruments의 UCC27531-Q1 게이트 드라이버는 소스 전류를 최대화하여 SiC 전력 소자에 가장 필요할 때 즉시 제공할 수 있도록 특수 회로망 및 타이밍을 추가합니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

분리형 SiC 구동기 솔루션에는 Power Integrations의 SIC1182K가 있습니다. 이 솔루션은 고급 활성 클램핑 및 최대 1200V의 강화된 분리 기능을 지원하는 단일 채널 8A SiC 게이트 드라이버입니다. 이 분리형 SiC 구동기 모듈은 AEC 인증을 받지 못했지만 AEC-100 1등급 인증을 받은 매우 유사한 SID11x2KQ MOSFET/IGBT 게이트 드라이버 계열을 제공합니다. 예를 들면 8A/1200V 단일 채널 IGBT/MOSFET 게이트 드라이버인 SID1182KQ-TL이 있습니다.

SIC1182K는 방열판 윙 역할을 하는 상당한 1차측 접지 전위 연결과 규정을 준수하는 9.5mm 연면거리 및 공간거리의 16리드 eSOP-R16B 패키지(9mm x 10mm x 2.5mm)에 실장되어 있습니다(그림 9). 회사의 견고한 독점 절연체 FluxLink 기술에 의해 분리되며 VDE 0884-10 인증과 UL 1577 인증(출원 중)을 모두 취득했습니다.

그림 9: Power Integrations의 SIC1182K 절연 SiC 게이트 드라이버에서 핀 3, 4, 5 및 6을 병합 연결하여 열 경로와 강력한 1차측 접지 연결을 제공합니다. (이미지 출처: Power Integrations)

SIC1182K는 단일 감지 핀을 통해 설정 단계 중 단락 보호와 고급 활성 클램핑을 통한 해제 시 과전압 제한을 결합합니다. 분리된 게이트 드라이버는 1차측/2차측 전력 및 접지, 논리 제어 및 구동 출력을 위한 연결이 필요합니다. 구동기를 강화하기 위해 추가 연결이 제공됩니다(그림 10). 여기에는 논리적인 결함 신호(개방 드레인), 설정 시 단락 이벤트를 감지하고 해제 시 과전압을 제한하는 감지 입력, 부트스트랩 및 충전 펌프 공급 전압 소스, 2차측 레퍼런스 전위를 위한 연결이 포함됩니다.

그림 10: SIC1182K 절연 SiC 게이트 드라이버는 실제 회로에서 구동 기능을 강화하기 위해 핀을 추가합니다. 이러한 핀은 항상 오작동하여 원치 않는 동작을 할 수 있습니다. (이미지 출처: Power Integrations)

결론

실현 가능한 EV는 고급 배터리와 고성능 전력 관리가 필요합니다. 두 기능 모두 SiC MOSFET과 같은 고급 전력 스위칭 장치를 통해 가장 잘 제공될 수 있습니다. 위 그림과 같이 2세대 및 3세대 장치는 여러 파라미터에서 온스테이트 저항, 손실, 스위칭 성능, 열 기능 등을 기준으로 기존 Si 부품보다 우수한 성능을 제공합니다.

하지만 고성능 SiC 장치의 잠재성을 극대화하려면 설계자가 응용 분야의 요구 사항에 맞는 게이트 드라이버를 선택해야 합니다.