SiC 및 GaN 전력 부품을 사용하여 EV 설계 요구 사항 해결

자동차 제조업체에서는 점차적으로 전기 차량(EV)을 개발하고 있지만 짧은 주행 범위에서는 여전히 문제가 있습니다. 공기 역학적인 설계, 더 가벼운 소재, 더 효율적인 전력 사용 등은 도움이 되지만 그것만으로는 충분하지 않습니다. 자동차 전력 전자 부품 설계자는 고급 와이드 밴드갭 반도체(WBG) 소재를 사용하여 효율성 및 출력 밀도 요구 사항을 충족해야 합니다.

기본적으로 질화 갈륨(GaN) 및 실리콘 카바이드(SiC)로 구성된 이러한 소재는 낮은 손실, 높은 스위칭 주파수, 높은 작동 온도, 열악한 환경에서의 견고성 및 높은 항복 전압을 제공하여 실리콘(Si) 금속 산화 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET), 절연 게이트 양극 트랜지스터(IGBT) 등과 같은 기존 반도체 기술보다 향상되었습니다. 짧은 충전 시간에 전체적인 손실은 줄이면서 높은 온도에서 작동하는 고용량 배터리로 산업이 이동함에 따라 이러한 소재는 특히 유용합니다.

이 기사에서는 WBG 기술과 자동차 EV 전자 장치에서 이 기술의 역할을 간략하게 설명합니다. 그런 다음 ROHM Semiconductor, STMicroelectronics, Transphorm, Infineon Technologies의 적합한 GaN 및 SiC 솔루션을 소개하고 응용 분야에 대한 지침을 제공합니다.

WBG 반도체의 이점

검토하자면, 밴드갭은 소재의 가전자대에서 전도대 사이에서 전자를 자기화하는 데 필요한 에너지이고, WBG 소재는 실리콘보다 훨씬 더 큰 밴드갭을 가집니다(그림 1). Si의 밴드갭은 1.1eV(전자 볼트), SiC의 밴드갭은 3.3eV, GaN의 밴드갭은 3.4eV입니다.

그림 1: Si 반도체는 전도대와 가전자대 사이에 밴드갭이 있고 이 밴드갭이 SiC 및 GaN의 경우보다 좁으므로 후자의 두 소재를 “와이드 밴드갭 반도체”라고 합니다. (이미지 출처: STMicroelectronics)

WBG 반도체를 사용하면 장치가 일반 실리콘보다 훨씬 더 높은 전압, 주파수, 온도에서 작동할 수 있습니다. 뿐만 아니라 스위칭 및 전도 손실이 더 낮습니다. WBG 소재는 Si보다 전도 및 스위칭 속성이 약 10배 더 우수합니다. 따라서 SiC 및 GaN 부품을 더 작게 만들고 더 빠르고 효율적으로 작동할 수 있으므로 WBA 기술이 전력 전자 부품 특히 EV로 사용하는 데 적합합니다.

WBG 장치의 이점이 대량 생산의 제조 복잡성과 높은 비용을 상쇄할 수 있어야 합니다. 일반적으로 WBG 부품은 처음에는 비싸지만 비용이 계속해서 내려가므로 전체적인 시스템 비용 절감이 실현됩니다. 예를 들어, EV에서 SiC 장치를 사용할 경우 수백 달러의 초기 비용이 늘어날 수 있지만 낮은 배터리 비용, 적은 공간 요구 사항, 간단한 냉각 조치(예: 더 작은 방열판, 대류 냉각) 등으로 인해 전체적인 비용이 절감됩니다.

주 인버터의 SiC

WBG 부품을 유용하게 활용할 수 있는 주요 EV 시스템의 예로는 EV에서 트랙션 전기 모터를 제어하는 트랙션 인버터가 있습니다. 인버터의 핵심 기능은 DC 전압을 3상 AC 파형으로 변환하여 EV 모터를 구동한 다음 재생식 브레이크에 의해 생성되는 AC 전압을 다시 DC 전압으로 변환하여 배터리를 충전하는 것입니다. 인버터는 배터리 팩에 저장된 에너지를 AC로 변환하여 전기 모터를 구동하므로 에너지 변환 손실이 적을수록 시스템이 더 효율적입니다. 실리콘에 비해 SiC 장치의 향상된 전도율과 빠른 스위칭 주파수로 인해 열로 손실되는 에너지가 감소되므로 전력 손실이 줄어듭니다. 궁극적으로 SiC 기반 인버터의 높은 효율성은 높은 EV 주행 거리로 나타납니다.

높은 전류를 처리하는 전력 모듈은 일반적으로 Si IGBT를 Si 고속 회복 다이오드(FRD)와 결합하는 IBGT 유형으로 자동차 인버터 모듈에 일반적으로 사용되는 구성입니다. 하지만 SiC는 기존 Si IGBT보다 작동 온도가 더 높고 스위칭 속도가 더 빠릅니다. 이러한 기능은 배터리 간에 대규모 에너지 패킷을 전송해야 하는 트랙션 인버터에 가장 적합합니다.

그 이유는 다음과 같습니다. IGBT는 스위칭 부품이므로 스위칭 속도(켜기 시간, 끄기 시간)는 효율성(손실)에 영향을 주는 주요 파라미터 중 하나입니다. IGBT를 사용하면 스위칭 성능을 댓가로 높은 항복 전압에서 낮은 저항이 실현되지만, 장치를 끄는 동안 “소산 시간”이 있으므로 스위칭 손실이 증가합니다. 따라서 IGBT는 효율성이 상대적으로 낮습니다. MOSFET을 인버터 모듈에서 IGBT 대신 사용할 경우 짧은 끄기 시간과 높은 작동 주파수로 인해 효율성을 높일 수 있습니다. 하지만 Si MOSFET의 경우에도 Si IGBT에 비해 "온스테이트" 저항이 높은 문제점이 있습니다.

SiC의 유리한 특성을 활용하여 IGBT에 비해 다이 영역의 크기가 약 1/2인 SiC MOSFET은 전원 스위치의 네 가지 바람직한 특성을 결합할 수 있습니다.

• 고전압
• 낮은 온스테이트 저항
• 빠른 스위칭 속도
• 낮은 스위칭 손실(특히 끄기 손실)

또한 와이드 밴드갭은 SiC 장치가 150°C ~ 175°C(패키지를 적절히 구성한 경우 200°C 이상) 온도 범위에서 정상적으로 작동할 수 있다는 것을 의미합니다.

SiC 쇼트키 장벽 다이오드(SBD)에 관한 한 SiC SBD에서 SiC 반도체와 급속 접합을 사용하여 쇼트키 장벽이 생성됩니다. 하지만 실리콘 FRD와 달리 SBD는 넓은 전류 및 작동 온도 범위에서 크게 변경되지 않는다는 이점이 있습니다. 또한 SiC 부품은 실리콘보다 약 10배 더 높은 유전체 항복 전장이 있습니다. 따라서 정격 1200V SiC 제품이 이제 대량 생산되고 있으므로 그에 따라 비용도 인하되고 있습니다. 또한 1700V 정격 제품이 개발 중에 있습니다.

SiC 다이오드는 정회복 손실과 역회복 손실을 나타내지 않고 소량의 용량 전하 손실만 있습니다. 조사에 따르면 Si 고속 회복 다이오드에 비해 SiC SBD의 스위칭 손실이 90% 더 낮고, 접합 온도가 회복 전류와 회복 시간에 영향을 준다고 합니다. 따라서 SiC 다이오드는 Si 다이오드에 비해 성능 지수(FoM)(Qc x Vf)가 훨씬 낮습니다. 낮은 FOM은 낮은 전력 손실을 의미하므로 전기 성능이 더 우수합니다.

실리콘 카바이드 소재에는 몇 가지 단점이 있습니다. 그중 하나는 양의 열 계수로서, 온도가 높을수록 순방향 전압(Vf)이 높아집니다. 다이오드를 통과하는 전류가 증가하면 순방향 전압 강하도 증가합니다. 이 전도 손실로 인해 다이오드에 높은 전류가 인가될 경우 열폭주가 발생할 수 있습니다.

하지만 시스템 설계자는 SiC MOSFET과 SBD를 함께 사용하여 효율성을 높이고, 방열판의 크기와 비용을 줄이고, 스위칭 주파수를 높여서 자기의 크기를 줄이고, 최종 설계의 비용, 크기, 무게를 줄일 수 있습니다. SiC를 사용하는 EV 인버터는 Si 기반 인버터에 비해 5배 더 작고 3배 더 가볍게 만들고 전력 손실을 50% 줄일 수 있습니다.

예를 들어, ROHM Semiconductor는 SiC MOSFET과 SiC SBD를 단일 패키지로 통합하여 IGBT 말단 전류에 의한 스위칭 손실과 FRD 손실을 최소화하는 BSM300D12P2E001 하프 브리지 SiC 전력 모듈을 개발했습니다(그림 2).

그림 2: SiC MOSFET과 SBD를 통합하는 전체 SiC 전력 모듈은 고속 스위칭 작업 중에도 IGBT 모듈에 비해 손실을 줄일 수 있습니다. (이미지 출처: ROHM Semiconductor)

ROHM Semiconductor의 SiC 기반 MOSFET은 IGBT에 비해 명시된 손실이 73% 더 낮습니다. 해당 MOSFET은 45mΩ ~ 1,150mΩ의 저항 범위에서 최대 1700V를 처리할 수 있습니다. 이 장치는 TO-247N, TO-3PFM, TO-268-L 및 TO-220 패키지로 제공됩니다.

또한 ROHM은 짧은 회복 시간, 고속 스위칭 기능, 낮은 온도 종속성, 낮은 순방향 전압, 6A ~ 20A 사이의 전류에서 최대 650V 처리 능력을 지원하는 AEC-Q101 자동차 인증 SiC 쇼트키 장벽 다이오드를 생산합니다.

EV에서 SiC 장치의 역할

Tesla는 Tesla 모델 3 세단에서 주 인버터를 위한 전체 SiC 전력 모듈을 통합한 최초의 전기 자동차 제조업체입니다. Tesla의 이전 차량인 모델 S와 모델 X에서는 TO-247 패키지의 IGBT를 사용했습니다. STMicroelectronics와의 협업을 통해 Tesla 인버터는 방열판에 조립된 SiC 전력 모듈로 구성됩니다.¹ MOSFET은 STMicroelectronics의 SCT10N120과 마찬가지로 정격 전압이 650V이며 구리 바닥판을 사용하여 열을 방출합니다.

EV용 충전 장치는 출하 시 설치된 상태로 제공되며 “온보드 충전기”(OBC)라고 합니다. EV 또는 플러그인 하이브리드 EV(PHEV)에서 OBC를 사용하여 가정의 AC 본선 또는 사설 또는 공용 충전소의 아웃렛을 통해 배터리를 충전할 수 있습니다. OBC는 고전압 트랙션 배터리(약 400V DC)를 충전할 수 있도록 AC/DC 컨버터를 사용하여 50Hz/60Hz AC 전압(100V ~ 240V)을 DC 전압으로 변환합니다. 또한 DC 레벨을 배터리 요구 사항에 맞게 조정하고, 전기적 분리를 제공하며, AC/DC 역률 보정(PFC)을 포함합니다(그림 3).

그림 3: 예를 들어, 일반 EV OBC에서 SiC 다이오드를 PFC 스테이지의 부스트 다이오드로 사용하거나 토템폴 토폴로지에서 N 채널 IGBT와 병렬로 사용할 수 있습니다. (이미지 출처: Infineon Technologies)

효율성을 위해 GaN에 쏠리는 관심

OBC의 설계 요구 사항은 EV 제조업체의 제한된 공간 및 무게 요구 사항을 충족하면서 빠른 충전 시간을 보장할 수 있도록 최대한 높은 효율성과 신뢰성을 제공하는 것입니다. GaN 기술을 사용하여 OBC를 설계하면 EV 냉각 시스템을 간소화하고 충전 시간과 전력 손실을 줄일 수 있습니다. 상용 GaN 전력 장치는 자동차 시장 점유율의 측면에서 SiC보다 뒤지지만 성능이 뛰어나고 매우 빠르게 관심이 쏠리고 있습니다. SiC 장치와 마찬가지로 GaN 장치는 낮은 스위칭 손실, 빠른 스위칭 속도, 높은 출력 밀도를 제공하고 전체 시스템 크기와 무게를 줄이고 비용을 절감합니다.

예를 들어, Transphorm의 TP65H035WSQA는 최대 175°C 자격 테스트를 통과한 차량용 AEC-Q101-qualified GaN FET입니다(그림 4). 표준 TO-247 패키지에서 이 장치의 표준 저항은 35mΩ입니다. 이전 세대와 마찬가지로 49mΩ Gen II TPH3205WSBQA 장치는 플러그인 하이브리드 전기 차량 및 배터리 EV용 AC/DC OBC, DC/DC 컨버터 및 DC/AC 인버터 시스템을 대상으로 하며, AC/DC 브리지리스 토템폴 PFC 설계를 활성화합니다.

그림 4: Transphorm TPH3205WSBQA 650V, 49mΩ GaN FET는 차량용 이산 소자 반도체를 위한 AEC-Q101 스트레스 테스트를 통과하여 자동차 인증을 받았습니다. (이미지 출처: Transphorm)

일반 Si MOSFET의 최대 dV/dt 등급은 50V/ns이지만, TP65H035WS GaN FET는 100V/ns 이상의 dV/dt에서 전환하여 최저 스위칭 손실을 실현합니다. 이 작동 레벨에서는 레이아웃도 성능에 크게 기여합니다. 권장 레이아웃은 최소 게이트 구동 루프를 유지하고 스위칭 노드 간 트레이스를 매우 짧게 유지하며, 전력 버스 및 접지에 대한 실제 반환 트레이스를 가장 짧게 하는 것입니다. 전력 접지면은 회로 전반에서 접지 잠재력을 실현할 수 있도록 큰 단면적을 제공합니다. 이 레이아웃에서는 전력 접지와 IC(작은 신호) 접지를 주의해서 분리하고, FET의 소스 핀에서만 연결하여 접지 루프 가능성을 방지합니다.

또한 하이브리드 및 전기 차량의 OBC 응용 분야에 사용하도록 개발된 Infineon의 AIDW20S65C5XKSA1은 이 회사의 5세대 CoolSiC 자동차 쇼트키 다이오드의 일부로서 회사의 IGBT 및 CoolMOS 포트폴리오를 보완하고 650V 등급의 자동차 응용 분야 요구 사항을 충족합니다.

새로운 부동태화 계층 개념 덕분에 이 장치는 습도 및 내식성을 기준으로 시장에 출시된 가장 강력한 자동차 장치 중 하나입니다. 또한 이 장치는 110µm의 얇은 웨이퍼 기술을 기반으로 하므로 낮은 전력 손실과 우수한 전기적 성능을 제공하여 동급 최고의 FOM 중 하나임을 입증했습니다.

기존 Si FRD에 비해 Infineon CoolSiC 자동차 쇼트키 다이오드는 모든 부하 조건에서 OBC 효율성이 1% 향상되었습니다.

SiC 및 GaN 장치 사용

앞서 언급한 신중한 레이아웃과 함께 SiC 부품의 한 가지 잠재적 문제는 IGBT 장치와 매우 다른 구동 요구 사항입니다. 대부분 트랜지스터의 구동 요구 사항은 대칭 레일(예: ±5V)을 사용하는 것이지만, SiC 장치에서는 장치가 완전히 꺼지도록 작은 네거티브 전압을 제공해야 합니다. 따라서 비대칭(예: -1V ~ -20V) 레일이 필요합니다.

또한 SiC는 열 속성이 우수하고 실리콘에 비해 많은 양의 열 에너지를 전달할 수 있는 반면에, SiC 부품은 Si에 맞게 설계되고 채택된 패키징(예: 다이 접합 및 접합 접합)을 사용하여 탑재할 수 있습니다. 이 패키징 방법은 SiC에서도 잘 작동하지만 낮은 주파수 회로(수십 kHz)에서만 실현 가능합니다. 높은 주파수가 사용되는 즉시 기생 정전 용량과 유도 용량이 과도하게 커져서 SiC 기반 장치의 전체 잠재성이 실현되지 않습니다.

마찬가지로 GaN 장치를 최대한 활용하려면 패키지의 기생 유도 용량이 매우 낮고 열 성능이 높아야 합니다. 다중 계층 pc 기판과 비슷한 새로운 패키징 방법(예: 패키지 내장형 다이)에서는 낮은 비용에 필요한 성능을 실현하면서 자체 장치 신뢰성 문제를 야기하는 전선 접합을 제거했습니다.

컨트롤러와 전력 장치 사이에서 인터페이스 역할을 하는 핵심 소자는 게이트 구동기입니다. 게이트 구동 설계는 새로운 장치를 채택하려는 전자 부품 설계자에게 항상 문제가 되므로 SiC 및 GaN 전력 장치를 구동하는 방법을 이해해야 합니다. 요구 사항은 다음과 같습니다.

• 낮은 전도 손실을 통해 높은 효율성을 실현할 수 있는 높은 공급 전압
• 낮은 스위칭 손실을 실현할 수 있는 높은 구동 강도
• 빠른 단락 보호
• 높은 효율성과 빠른 시스템 제어를 위한 작은 전파 지연 및 변화
• 높은 dv/dt 내성

일부 이전 GaN 장치는 게이트 과전압 조건을 방지하기 위한 특수 구동기가 필요했습니다. 이제 Vg 허용 오차 범위가 큰 새로운 세대의 E-HEMT를 사용할 수 있으며 많은 표준 MOSFET 구동기에서 게이트 공급 전압을 간단히 변경하여 구동할 수 있습니다. GaN FET는 측면 장치이므로 상대적으로 낮은 최적 구동 전압이 필요합니다. 따라서 전체적으로 GaN 장치는 Si MOSFET 및 IGBT와 유사한 게이트 구동 요구 사항을 갖습니다. 요구 사항은 다음과 같습니다.

• 작은 게이트 전하 - 낮은 구동 손실, 빠른 상승 시간 및 하강 시간
• 낮은 게이트 전압
• 게이트 구동 견고성 향상을 위한 네거티브 전압
• 게이트 저항기를 사용하여 슬루율 제어

긍정적인 점은 많은 SiC 및 GaN 솔루션 제공업체가 전류 설계를 위한 드롭인 교체가 가능하도록 패키지 내에 추가 전자 부품을 포함하고 있다는 것입니다.

결론

인버터, 기판 실장 충전기 등과 같은 EV 시스템의 효율성 및 출력 밀도 요구 사항을 충족하기 위해 이제 자동차 전력 전자 부품 설계자는 SiC, GaN 등과 같은 고급 WBC 반도체를 활용할 수 있습니다. 이러한 반도체는 기존 실리콘 장치에 비해 낮은 손실, 높은 스위칭 주파수, 높은 작동 온도, 열악한 환경에서 견고성, 높은 항복 전압을 제공합니다.

GaN 및 SiC는 높은 온도에서 비슷한 기대 수명으로 작동하거나 Si 장치와 비슷한 온도에서 더 오래 작동할 수 있습니다. 따라서 설계 엔지니어는 응용 제품의 요구 사항에 따라 다양한 설계 경로를 선택할 수 있습니다.

또한 WBG 소재를 사용하면 설계자가 설계 목표에 따라 다양한 전략을 선택할 수 있습니다. 즉, 동일한 스위칭 주파수를 사용하고 출력 전력을 높이거나, 동일한 스위칭 주파수를 사용하고 시스템에 필요한 방열량을 줄여서 총 비용을 절감하거나, 스위치에서 동일한 전력 손실을 유지하면서 스위칭 주파수를 높일 수 있습니다.

레퍼러스

1. “STMicroelectronics의 SiC 전력 모듈이 탑재된 Tesla 모델 3 인버터, 완전 분해 보고서”(연구 및 시장)