항공 우주 및 위성 응용 분야의 와이드 밴드갭 반도체

작성자: Rolf Horn

2023-03-22

WBG(와이드 밴드갭) 반도체는 출력 밀도 및 효율성 증가, 시스템 크기 및 무게 감소, 주파수 스위칭 향상으로 더 작은 수동 소자 부품 사용 가능 등 전력 변환의 측면에서 다양한 이점을 제공합니다. 이러한 이점은 크기와 무게가 매우 중요한 항공 우주 및 위성 전력 시스템에서 훨씬 더 중요할 수 있습니다. 이 기사에서는 이러한 응용 분야에 사용되는 실리콘 카바이드(SiC) 및 질화 갈륨(GaN)과 같은 WBG 부품의 상대적 이점을 살펴봅니다.

항공기의 전력 변환

세상이 친환경적인 미래로 나아감에 따라 기존의 가스 구동 항공기에서 배기가스를 줄이는 방법에 관심이 집중되고 있습니다. 다음과 같은 몇 가지 접근 방식이 고려되고 있습니다.

MEA(More Electric Aircraft): 이 방식의 목표는 기계적으로 구동되거나 유압식으로 구동되는 일부 엔진 부속품을 전기 구동 부품(예: 연료 펌프)으로 대체하는 것입니다.
MEP(More Electric Propulsion): 이 방식에서는 가스 터빈에 하이브리드 지원을 제공하여 연료 소비를 줄이기 위해 발전기가 사용됩니다.
AEA(All Electric Aircraft): 비행기를 전기로만 구동하는 보다 야심 찬 계획입니다. 이 방식은 헬리콥터, UAM(도심 항공 모빌리티) 차량, VTOL(수직 이착륙) 비행기(예: 에어 택시용으로 고안된 비행기)와 같은 소형 비행기로 시작합니다.

현대 항공기에서는 전력 소비의 증가로 인해 가스 터빈에서 생성되는 유입 전압을 230V_AC로 높여야 했습니다. 이 전압은 정류기에 의해 ±270V_DC의 DC 링크 전압(HVDC 전압이라고도 함)으로 변환됩니다. 그런 다음 DC/DC 컨버터를 사용하여 28V에서 LVDC를 생성합니다. 이 전압은 조종실 디스플레이, DC 연료 펌프 등과 같은 장비를 가동하는 데 사용됩니다. 현재 800V용 시스템을 개발 중인 차량용 EV 충전기와 마찬가지로, 항공기에서도 배선 손실을 줄이기 위해 전압을 높이는 추세입니다. 항공기, 특히 하이브리드 추진 및 AEA 시스템에서는 DC 전압이 kV 범위에 가깝게 높여질 가능성이 있습니다. 전력의 측면에서 MEA 전력 컨버터의 범위는 10KW ~ 100KW인 반면에, 하이브리드 추진 및 AEA 전력 컨버터는 수 MW 범위 내 수준이어야 합니다.

항공기 전력 전자 부품의 주요 요구 사항 및 과제

크기, 무게 및 전력 손실(SWaP): SWaP 지표는 연료 소비, 범위, 전체 효율성과 직접적인 관련이 있으므로 낮아야 합니다. AEA의 경우를 예로 들어보겠습니다. 이 경우 배터리 시스템은 발전 시스템의 가장 무거운 부품입니다. 필요한 배터리 크기는 인버터의 효율에 따라 다릅니다. 인버터 효율을 98%에서 99%로 1%만 개선하더라도 에너지 밀도가 250Wh/kg인 일반 배터리에 필요한 배터리 크기를 수백 kg 줄일 수 있습니다. 인버터 모듈의 중량 측정 출력 밀도(kW/kg)는 다른 주요 지표입니다. 마찬가지로 컨버터 능동 소자에 필요한 냉각 시스템뿐만 아니라 수동 소자 부품의 크기와 무게도 상당할 수 있습니다.
비가압 영역에서 엔진에 가깝게 설치되는 고전력 전자 부품은 발열 및 분리와 관련한 많은 문제에 직면합니다. 능동 소자는 온도에 대한 상당한 부하 경감이 필요하며, 능동 소자 냉각 요구 사항이 전체 항공기의 냉각 시스템에 부담을 줄 수 있습니다. 높은 고도에서는 더 낮은 전기장에서 부분 방전이 발생할 수 있으므로, 반도체, 모듈 패키지 및 분리 부품을 충분히 여유 있게 설계해야 합니다. 우주 방사선 노출에 대한 허용 오차 범위를 보장하려면 능동 소자에 대한 충분한 전압 부하 경감이 필요할 수 있습니다.
자격 및 신뢰성 표준: DO-160은 다양한 환경에서 항공 전자 하드웨어를 테스트하기 위한 규칙입니다. 이러한 용도로 인증되어 OEM과 항공기 제조업체에서 해당 부품을 인증하고 사용을 보장하는 상업용 기성품(COTS)은 극소수에 불과합니다.

항공 우주 및 위성 부문에서 와이드 밴드갭(WBG) 전력 반도체를 사용할 경우의 이점

그림 1에 표시된 대로 WBG 소재(예: SiC 및 GaN)는 기존의 실리콘(Si) 기반 소자에 비해 많은 이점을 제공합니다.

Si, SiC, GaN의 소재 속성 비교 이미지 그림 1: Si, SiC, GaN의 소재 속성 비교 (이미지 출처: Researchgate)

이러한 소재적 이점은 항공기 전력 전자 부품에서 다양한 이점으로 해석됩니다.

열전도율이 높아서(특히 SiC) 엔진을 제거하는 데 사용되는 부품 등을 쉽게 냉각할 수 있습니다.
시스템 전압이 높아서 배선의 저항 손실이 감소됩니다. 이는 상업용 장치에서 최대 3.3kV까지 사용 가능한 SiC의 경우 특히 그렇습니다. 또한 이 전압을 더욱 확장하기 위한 연구가 활발하게 진행되고 있습니다.
고온에서 신뢰성이 향상됩니다. 예를 들어 SiC에서 200˚C 이상 작동이 입증되었습니다.
전도 손실과 스위칭 손실이 낮습니다. 높은 밴드갭은 주어진 전압 정격에서 드리프트 영역을 줄여서 전도 손실을 개선합니다. 또한 낮은 기생 정전 용량은 더 빠른 스위칭 슬루율로 스위칭 손실을 줄입니다.
낮은 기생은 고주파 작동을 가능하게 합니다. 예를 들어 1kV ~ 5kV SiC MOSFET의 스위칭 주파수는 수백 kHz인데 비해 동등한 Si 토폴로지는 수십 kHz에 불과합니다. GaN HEMT(고전자 이동도 트랜지스터) 소자는 대부분 700V 미만 전압 범위에서 사용할 수 있지만 단극이며, 역회복 손실이 없고 이 100V 범위 내에서 수 MHz로 전환할 수 있다는 추가적인 이점이 있습니다. 고주파수의 큰 이점은 자석의 크기를 줄일 수 있다는 것입니다.

그림 2에서는 GaN 및 Si 기반 100kHz 부스트 컨버터의 효율을 비교합니다.

그림 2: 100kHz 부스트 컨버터에서 Si와 GaN의 효율 비교 (이미지 출처: Nexperia)

위의 모든 이점은 더 나은 SWaP 지표 및 더 높은 출력 밀도와 직접적인 관련이 있습니다. 예를 들어 정격 전압이 높은 장치를 사용하면 높은 DC 링크 전압이 발생하여 컨버터 DC 링크 커패시터에서 더 작은 정전 용량 RMS 전류가 생성되므로 크기 요구 사항을 줄일 수 있습니다. 스위칭 주파수가 높으면 더 작은 폼 팩터, 고주파 평면 자석을 사용할 수 있습니다. 기존 전력 컨버터에서는 자기 부품이 총 무게의 40% ~ 50%를 차지할 수 있지만, 더 높은 주파수에서 작동하는 WBG 능동 소자를 사용하면서 이 비율이 감소하고 있습니다. 인버터의 중량 측정 출력 밀도의 측면에서 살펴보면 Si 기반 공랭식 컨버터의 범위는 약 10kW/kg입니다. WBG를 사용하면 이 지표가 많은 시스템 데모에서 25kW/kg을 초과했으며, 이론적으로는 최적화된 토폴로지, DC 링크 전압 및 스위칭 주파수를 사용하여 100kW/kg의 출력 밀도를 달성하는 것이 가능한 것으로 나타났습니다.

와이드 밴드갭(WBG) 전력 반도체를 사용할 경우의 문제점 및 잠재적 솔루션

하지만 위와 같은 WBG의 이점은 해결해야 할 많은 문제점으로 해석됩니다. 다음은 현재 검토 중인 몇 가지 문제점과 가능한 솔루션입니다.

높은 출력 밀도는 발열 증가와 직접적인 연관이 있습니다. 고온에서는 전력 변환 효율이 감소되며, 특히 온도 순환에 고온 변경이 포함되는 경우 신뢰성 문제가 발생할 수 있습니다. 열기계적 응력은 열전 소재(TIM)(예: 능동 소자 기판을 방열판에 연결하는 열전도성 그리스)와 같은 열 확산기를 불안정하게 만들고 열 저항을 높여서 전력 모듈 패키지 신뢰성에 영향을 줄 수 있습니다. 다음은 검토 중인 몇 가지 솔루션입니다.
- 향상된 패키지: 소결이 적용된 직접 냉각식 질화 알루미늄(DBA) 기판에 양면 냉각을 제공하는 패키지는 열 제거 성능을 향상시킵니다. 다른 방식에는 분말 합금 방열판을 DBA 기판에 직접 연결하는 선택적 레이저 용융(SLM)이 있습니다.
- 강화된 전력 요구 사항으로 인해 활성 다이 크기가 증가함에 따라, 병렬 다이를 사용하여 동일한 순 활성 영역을 달성하면 열 확산에 유리할 수 있습니다.
WBG를 사용하면 스위칭 전환이 빨라지고 스위칭 손실을 줄이는 데 유용하지만 전자파 장해(EMI) 위험이 커집니다. 이에 대한 솔루션은 다음과 같습니다.
- 분산된 필터 셀은 향상된 성능과 이중화를 제공할 수 있습니다.
- 증폭기를 사용하는 하이브리드 능동-수동 필터를 사용하여 저주파수를 증폭하면 순 필터 크기를 줄이고 성능을 향상시킬 수 있습니다.
정격 전압이 높아짐에 따라 더 두꺼운 드리프트 영역이 필요하므로 전력 소자의 비저항(R_DS(ON) x A, R_DS(ON) 온스테이트 저항 및 A 활성 영역)이 높아집니다. 예를 들어 1200V SiC MOSFET의 고온 비저항은 1mOhm-mm²일 수 있지만 6kV 정격 소자의 경우 10mOhm-mm²에 달할 수 있습니다. R_DS(ON) 목표를 달성하려면 더 큰 소자를 사용하거나 더 많은 소자를 병렬로 사용해야 합니다. 이는 다이 비용, 스위칭 손실, 냉각 요구 사항이 증가한다는 것을 의미합니다. 다음은 몇 가지 솔루션입니다.

3 또는 다중 레벨 컨버터 토폴리지를 사용하면 DC 링크 전압보다 낮은 정격 장치를 사용할 수 있습니다. 이는 kV 미만 정격 GaN 장치와 특히 관련이 있습니다. 즉, SIPO(Series In, Parallel Out) 구성이 유입 전압을 여러 장치로 분산시켜서 해당 장치를 사용할 수 있게 해줍니다.

GaN 및 위성 통신

방사선 처리 성능의 측면에서 GaN HEMT 장치는 Si 및 SiC MOSFET보다 우수합니다.

게이트 전극 아래의 AlGaN 계층은 SiO₂ 게이트 산하물이 MOSFET에서 하는 것처럼 전하를 수집하지 않습니다. 따라서 e-모드 GaN HEMT의 총 이온화 선량(TID) 성능은 작동 보고서에 따르면 1Mrad를 초과하는 등 크게 향상되지만, Si/SiC에서는 일반적으로 수백 krad에 불과합니다.
GaN HEMT에서는 2차 전극 효과(SEE)도 향상됩니다. 구멍이 부족하면 2차 전극 이상(SEU) 위험이 최소화되고, Si 및 SiC(SEGR)에서 나타나는 게이트 파열 위험도 최소화됩니다.

GaN 기반 무접점 전력 증폭기(SSPA)는 낮은 지구 궤도(LEO) 위성과 같은 많은 우주 응용 분야에서, 특히 C 대역에서 Ku/Ka 대역 사이의 주파수에서 진공 튜브 소자를 대부분 대체했습니다.