실리콘 카바이드로 에너지 시스템을 혁신하는 방법

실리콘 카바이드(SiC)는 산업 전반에서 효율성을 높이고 탈탄소화를 지원하는 초석이 되었습니다. 재생 에너지, 전기 자동차(EV), 데이터 센터 및 그리드 인프라에 대한 전 세계적인 수요 증가에 대응하는 첨단 전력 시스템의 원동력입니다. SiC 기술은 특히 전력 변환 효율과 열에 민감한 상황에서 기존 실리콘 디바이스에 비해 장점이 있습니다.3% 전자 및 전력 산업에 미치는 전반적인 영향은 수익성과 지속 가능성 향상으로 이어질 수 있습니다.

업계를 선도하는 두 반도체 회사의 전문가인 Infineon Technologies의 산업 및 인프라 마케팅 디렉터 Michael Williams와 DigiKey의 기술 마케팅 엔지니어 Shawn Luke가 SiC 기술이 시장에 미친 영향과 앞으로의 전망에 대해 의견을 나눕니다.

변화하는 전력 소비

"과거에는 대부분의 전력 소비가 산업 자동화 애플리케이션 및 공장, 철도 운송, 폐수 처리를 위한 이동 펌프 또는 파이프라인의 오일과 같은 유체와 같은 일종의 모터 제어와 관련되어 있었습니다."라고 Williams는 말합니다. "실리콘 카바이드의 도입으로 시장에서 효율성을 높이는 방향으로 전환하여 여러 변환 단계에서 에너지 손실을 줄이고 수요가 많은 애플리케이션을 지원할 수 있게 되었습니다."

이러한 변화는 탈탄소화와 재생 에너지 시스템, 전기차 인프라 및 데이터 센터를 포함한 차세대 재생 기술 개발에 초점을 맞췄습니다. 또한 전력 변환 효율을 약 95%에서 98.5%로 개선하여 에너지 손실을 낮추고 열 발생을 줄이며 냉각 요구 사항을 최소화하는 중요한 변화를 가져왔습니다.

그리드 인프라

전력망이나 고전압 전력선에서 데이터센터로 전력을 전송하는 것만으로도 여러 단계의 변환을 거치면서 5~6%의 전력 손실이 발생할 수 있습니다. 데이터 센터만 해도 현재 전 세계 에너지 소비의 3%를 차지하는 것으로 추정되며, 2030년에는 4%까지 증가할 것으로 예상됩니다(Data Centre Magazine, 2022). SiC는 데이터센터 전력 인프라에 적용되어 그리드 규모의 에너지 스토리지와 태양광 중앙 인버터의 효율성과 시스템 비용을 절감합니다. 이 결합된 솔루션은 미래의 데이터센터가 마이크로그리드 환경에서 작동할 수 있도록 하여 이미 과부하 상태인 미국 전력망의 부하를 줄여줍니다.

"자동차가 전기화되면서 양방향 충전과 첨단 전력 전자 장치를 갖춘 레퍼런스 설계가 많이 출시되고 있는데, 이는 피크가 아닌 시간에는 충전하고 피크 시간에는 전력망에 전력을 다시 공급하는 것을 의미합니다."라고 Luke는 말합니다.

와이드밴드갭 기술인 SiC는 전기차 충전과 같은 애플리케이션에서 더 높은 전압 처리와 더 빠른 스위칭 속도를 지원합니다. 이를 통해 글로벌 그리드 인프라를 완전히 혁신하는 동시에 시스템 복잡성과 전체 비용을 절감할 수 있었습니다.

SiC 기술을 사용한 설계

SiC 기술은 효율성 문제를 잘 해결하지만 설계자가 크기가 작은 제품을 필요로 하는 경우에는 와이드 밴드갭(WBG) 또는 실리콘(Si) 장치가 사용됩니다.

"설계자가 선택할 수 있는 기술이 세 가지인 것처럼, 설계에도 세 가지 기본 고려 사항, 즉 제품을 만들 때, 비용효율성이 중요한가, 콤팩트하게 만드는 것이 중요한가, 효율성이 중요한가의 문제입니다."라고 Williams는 설명합니다. "이 중 두 가지 우선순위 중 하나를 선택하면 설계자는 Si 솔루션을 선택할 수 있습니다. 그러나 이 세 가지 고려 사항을 모두 고려한 설계에는 와이드 밴드갭 장치가 필요합니다. 소형 제품의 핵심 동인은 스위칭 주파수를 높여 시스템의 마그네틱과 커패시턴스 크기를 줄이는 것입니다."

SiC 기술의 WBG 기능 덕분에 전압 레벨을 더 높일 수 있어 차세대 기술 구현이 가능해졌습니다. 문제는 SiC가 기존 실리콘보다 훨씬 더 단단한 기본 소재이기 때문에 작업하기 복잡한 소재라는 점입니다.

전력 사이클링은 패키지 개발의 핵심 요소로, SiC 다이와 리드프레임 또는 기판 간의 상호 연결에 부담을 주어 잠재적으로 조기에 장치 고장이 발생하는 문제를 초래할 수 있습니다. 미래 SiC 장치의 전력 순환 성능을 개선하기 위한 새로운 상호 연결 기술을 개발하는 것은 탈탄소화 그리드의 미래 요구 사항을 해결하는 데 중요합니다.

"현재 애플리케이션은 과거의 모터 구동 애플리케이션보다 훨씬 더 높은 전력 사이클링을 활용합니다".라고 Williams는 말합니다. "Infineon은 표준 소프트 솔더 기술에 비해 전력 사이클링 성능을 22배( >) 향상시키는 것으로 입증된 첨단 상호 연결 기술인 .XT 기술을 개발하는 데 주력해 왔습니다. 이 기술 개발을 통해 더 높은 전력 밀도, 향상된 열 성능, 최대 시스템 수명이 가능해져 더 많은 재생 에너지원으로의 전환이 가능해졌습니다."

전력 변환 시장 혁신

이러한 전문가들이 관심을 갖고 있는 분야 중 하나는 석탄과 석유와 같은 화석 연료 발전소로부터의 전환을 포함하는 그리드의 탈탄소화입니다.

"탈탄소화는 전력 회사가 풍력, 태양광, 수력 발전으로 전환하는 변화를 통해 거시적 차원에서 이루어질 수 있을 뿐만 아니라 전기차 등을 통해 소비자 차원에서도 이루어질 수 있습니다."라고 Luke는 말합니다. "SiC와 같은 인에이블러는 그 어느 때보다 마이크로그리드에 더 가까이 다가갈 수 있도록 도와주며, 전원을 현지화하여 변환과 손실을 줄이고 탈탄소화를 지원합니다."

전력 부문에 큰 영향을 미칠 것으로 예상되는 또 다른 혁신은 솔리드 스테이트 변압기의 구현입니다. 이를 통해 전력망의 인프라를 크게 개선하여 유틸리티 사이트의 크기, 설치 시간 및 전반적인 복잡성을 줄일 수 있습니다. 솔리드 스테이트 변압기를 배포하면 모듈식 고전압 시스템과 마이크로그리드 솔루션이 가능해져 보다 지속 가능한 전력 분배가 가능해집니다.

다음 단계는?

새로운 기술이 지속적으로 출시됨에 따라 SiC는 지속적인 존재감을 발휘할 것으로 예상됩니다.

"인피니언 전문가들은 실리콘 전력 스위칭 장치가 향후 10년 동안 계속해서 시장을 지배할 것으로 예측하고 있습니다."라고 Williams는 말합니다. "우리는 실리콘, 탄화규소, 질화갈륨의 세 가지 스위칭 기술을 모두 제공함으로써 시장에서 독보적인 위치를 차지하고 있으며, 전체 시장 규모를 감소시키는 와이드 밴드갭 전력 디바이스의 위협은 없을 것으로 예상합니다."

Infineon과 같은 기업들은 제조 규모를 확장하여 용량을 늘리고 전력 효율을 개선하는 동시에 SiC 기술 비용을 절감하는 솔루션을 개발하는 데 투자하고 있습니다. 모듈형 마이크로그리드, 분산형 DC 네트워크, 융합 원자로와 같은 혁신이 곧 시작될 예정이며, 이러한 발전의 핵심에는 SiC가 있습니다.

글로벌 유통업체인 DigiKey와의 강력한 파트너십, 최소 주문량 및 고가용성 배포 모델을 통한 신속한 신기술 배포를 통해 설계자와 엔지니어는 다음 단계로 나아갈 수 있는 유리한 위치를 선점할 수 있습니다. 전원 솔루션에 대한 자세한 내용은 DigiKey.com을 방문하세요.