운송 업계를 재성형하는 와이드 밴드갭 반도체

내연 엔진(ICE) 차량이 오염을 덜 일으키는 전기 및 하이브리드 자동차, 환경에 더욱 좋은 대중교통 솔루션(열차, 항공기, 선박)에 점차 자리를 내어주면서 운송 부문 전체가 급진적인 변화를 겪고 있습니다. 온실가스(GHG) 배출을 억제하고 지구 온난화를 완화할 수 있도록 효율성을 극대화하고 환경 영향을 줄일 수 있는 솔루션이 필요합니다.

와이드 밴드갭(WBG) 반도체는 운송 응용 분야에 매력적인 몇 가지 속성을 나타냅니다. WBG를 사용하면 차량은 범위가 넓어지고 환경 영향은 감소되어 더 효율적이고 빠르며 가벼워질 수 있습니다.

WBG 재료 속성

와이드 밴드갭 재료는 일반적으로 사용되는 실리콘(Si)에 비해 그 장점으로 인해 전력 전자 부품 영역을 빠르게 변화시키고 있습니다. 실리콘의 밴드갭이 1.1eV인 반면 WBG 재료의 밴드갭은 2eV ~ 4eV입니다. 또한 대부분의 WBG 반도체 항복 전기장은 실리콘보다 훨씬 더 높습니다. 즉 WBG는 훨씬 더 높은 온도와 전압에서 작동할 수 있으므로 전력 레벨은 더 높고 손실은 더 적습니다. 표 1은 실리콘과 비교하여 가장 널리 사용되는 두 가지 WBG 재료인 실리콘 카바이드(SiC) 및 질화 갈륨(GaN)의 주요 속성을 나열합니다.

표 1: Si, SiC, GaN 속성 비교

실리콘 기반 전력 소자와 비교하여 SiC 전력 소자의 주요 이점은 다음과 같습니다.

• 낮은 스위칭 손실: SiC MOSFET는 켜고 끄는 스위칭 손실이 매우 낮은 단극 소자입니다. 이 속성으로 인해 더 낮은 손실로 더 높은 스위칭 주파수가 가능하여 수동 소자 부품 및 자기를 감소시킬 수 있습니다.
• 낮은 전도 손실: 양극 접합이 없으므로 SiC 소자는 경부하 또는 부분 부하 작동 중 손실을 줄일 수도 있습니다.
• 높은 작동 온도: 실리콘 카바이드는 실리콘에 비해 우수한 열 속성을 지니고 있습니다. SiC는 광범위한 온도에 비해 누설 전류가 낮아 200°C 이상에서 작동할 수 있습니다. 간소화된 냉각 및 우수한 열 관리는 이러한 속성의 결과입니다.
• 고유 바디 다이오드: 이러한 특성으로 인해 SiC MOSFET는 3사분면의 다이오드 모드로 작동할 수 있으므로 전력 응용 분야에서 우수한 성능을 제공할 수 있습니다.

위의 속성을 결합하면 더 높은 출력 밀도와 효율성, 작동 주파수가 더 높고 실장 면적이 더 적은 SiC 소자를 얻을 수 있습니다.

Si 및 SiC 전력 소자와 비교하여 GaN 전력 소자의 주요 이점은 다음과 같습니다.

• GaN 소자는 고유 바디 다이오드가 없어도 역회복 전하 없이 3사분면에서 작동할 수 있습니다. 따라서 역병렬 다이오드가 필요하지 않습니다.

• 낮은 게이트 전하 Q_G 및 온스테이트 저항 R_DS(ON)으로 구동 손실은 더 낮아지고 스위칭 속도는 더욱 향상됩니다.
• 제로 역회복으로 스위칭 손실은 더 낮아지고 EMI 잡음도 더 감소합니다.
• 높은 dv/dt: GaN은 매우 높은 주파수에서 스위칭할 수 있으며 유사한 R_DS(ON)을 가진 SiC MOSFET보다 4배 더 빠르게 켜고 2배 더 빠르게 끄기가 가능합니다.

WBG 소자 응용 분야

그림 1에서 강조한 것처럼 SiC 및 GaN이 최고의 성능을 제공하는 응용 분야가 있으며 해당 특성이 실리콘의 특성과 겹치는 응용 분야가 있습니다. 종종 GaN 소자는 높은 주파수 응용 분야에 가장 적합한 반면 SiC 소자는 고전압에서 높은 전위를 갖습니다.

그림 1: Si, SiC 및 GaN 소자의 잠재적 응용 분야 (출처: Infineon)

하이브리드 및 전기 차량

H/EV는 다양한 전력 전자 부품 시스템을 사용하여 그리드 또는 엔진 에너지를 모터 및 보조 장치에 전력을 공급하는 데 적합한 형태로 변환합니다. 대부분의 H/EV는 바퀴가 발전기를 회전시켜 배터리를 충전하는 재생식 브레이크도 사용합니다.

제동 인버터는 3상 모터에 전력을 공급하기 위해 배터리에서 DC 고전압을 AC로 전환하므로 이러한 H/EV에 중요한 부품입니다(그림 2 참조). 관련된 전력이 높기 때문에 인버터의 토폴로지에 따라 650V 또는 1.2kV 등급인 SiC 소자가 이 응용 분야에 더 적합합니다. SiC는 손실, 크기 및 무게를 감소하는 데 도움이 되므로 소형 폼팩터를 사용하는 솔루션이 가능합니다.

그림 2: H/EV의 주요 부품 (출처: ROHM Semiconductor)

온보드 충전기(OBC)는 그리드를 연결하여 배터리를 충전하기 위해 AC를 DC 전압으로 전환합니다. OBC 출력 전력은 대 3.3kW 및 22 kW이며 고전압(600V 이상) 전력 소자에 따라 달라집니다. SiC 및 GaN 모두 이 응용 분야에 적합하지만 GaN은 높은 스위칭 주파수, 낮은 전도 손실, 무게 및 크기 감소와 같은 특징으로 인해 OBC를 구현하는 데 이상적인 솔루션입니다.

H/EV에서 WBG의 또 다른 응용 분야는 저전압(LV) DC DC 컨버터로 배터리 전압(HEV에서 200V, EV에서 400V 이상)을 보조 시스템에 전력을 공급하는 데 필요한 12V/48V DC 전압으로 강압하는 역할을 합니다. 일반 전력이 1kW 미만인 LV 컨버터는 GaN 소자와 SiC 소자를 사용하여 더 높은 주파수를 달성할 수 있습니다.

표 2에는 Si, SiC 및 GaN이 앞서 언급된 H/EV 응용 분야의 요구 사항을 충족하는 방법이 요약되어 있습니다.

표 2: H/EV에서 WBG의 응용 분야 및 Si를 사용한 성능 비교

철도 운송

전동 열차는 현수선 또는 제3궤조를 통해 그리드에서 전력을 끌어와 모터 및 보조 시스템에 적합한 형태로 전환합니다. 열차가 AC선에서 운행하는 경우 변압기 및 정류기가 강압하여 전압을 DC로 조절합니다. 그러면 보조 시스템과 제동 시스템의 요구 사항을 해결하기 위해 DC 전압이 분할되어 인버터를 통해 전달됩니다.

제동 인버터는 DC를 AC로 전환하여 모터에 전력을 공급하고 재생식 브레이크에서 생산된 전기를 재조절합니다. 따라서 이 컨버터는 에너지 흐름을 양방향으로 실행할 수 있도록 설계되어 있습니다. 대신 보조 인버터는 냉각 시스템, 승객의 편안함 및 기타 비운동 관련 요구 사항에 대해 전력을 공급합니다.

제동 인버터 내의 전력 전자 부품 크기는 다음과 같이 열차의 등급에 따라 다릅니다.

• 운송 열차: 1.2kV ~ 2.5kV
• 통근 열차: 1.7kV ~ 3.3kV
• 도시 간 열차: 3.3kV 이상

하지만 대부분의 열차는 3.3kV 또는 1.7kV를 사용합니다.

전기의 일부를 로컬 그리드, 철도 전력 분배 시스템 또는 에너지 저장 장치로 반환하는 재생식 브레이크는 이전에 언급한 응용 분야에서보다 시스템을 더 복잡하게 만듭니다. 재생된 에너지는 저장하거나 즉시 사용해야 합니다. 그렇지 않으면 사라집니다.

기본적으로 철도 제동 응용 분야의 전력 모듈에서 사용되는 양극 Si 기반 IGBT 및 프리휠링 다이오드는 단극 SiC 기반 MOSFET 및 다이오드로 대체할 수 있으므로 스위칭 주파수와 출력 밀도를 높일 수 있습니다.

철도 제동 응용 분야에서 사용되는 전력 전자 부품 장비의 무게와 부피를 줄이려면 전도 손실 및 스위칭 손실을 줄이고 최대 접합 온도를 올려야 합니다. 널리 사용되는 양극 실리콘 전력 소자의 경우 전도 손실을 높이고 스위칭 손실을 낮추면 반대의 효과가 발생합니다. 단극 소자에서는 양극 소자처럼 전도 손실과 스위칭 손실 사이의 트레이드 오프가 발생하지 않습니다. 따라서 전도 손실을 최소화하면서 스위칭 손실을 줄일 수 있습니다.

전기 레일에서의 전력 손실은 WBG 전력 전자 부품을 사용하여 크게 줄일 수 있습니다. 그 결과 그리드에서 에너지가 더 적게 추출되고 재생식 브레이크를 통해 더 많은 에너지가 반환됩니다. WBG 소자는 또한 효율성 증가 외에도 다음과 같이 철도 운송에 크게 도움이 되는 추가 이점을 제공합니다.

• 무게가 감소되면 효율성에 상당한 영향을 미칩니다.
• 더 높은 작동 온도로 더 작은 냉각 시스템이 가능합니다.
• 스위칭 주파수가 증가하면 더 작은 크기의 수동 소자를 사용할 수 있어 제동 인버터 및 보조 인버터의 무게를 줄일 수 있습니다. 인버터 및 모터는 더 높은 스위칭 주파수 덕분에 더 빠르게 수요 변화에 대응할 수 있어 효율성이 향상됩니다. 마지막으로 더 높은 주파수는 비교적 잘 들리지 않고 냉각 팬이 꺼질 수도 있으므로 열차가 있을 때 기차역은 잡음이 더 적습니다.

해양 및 항공 응용 분야

전력 전자 부품 혁신은 오랫동안 해양 부문에 유용하게 사용되어 왔습니다. 선박에서는 디젤 엔진으로 구동되는 동기식 발전기의 중전압 AC 레벨 전기는 다양한 부하에 공급됩니다. 추진 구동기(AC DC 컨버터 및 DC AC 컨버터 혼합) 및 기타 부하가 주로 여기에 속합니다.

최근에는 해양 부문에서 AC 배전 네트워크를 DC 분산 네트워크로 대체하려는 추세입니다. 발전기를 가변 속도로 작동할 수 있고 연료를 절감할 수 있는 경우 이 솔루션으로 인해 발전기를 AC 전력 분배로 동기화할 필요가 없습니다. 한편으로는 AC 발전기 및 DC 전력 분배 네트워크 사이에 정류기 회로(AC DC 컨버터)를 도입해야 합니다.

해양 추진 가변 속도 구동기는 매우 안정적으로 작동해야 하는 중요한 선박 부품입니다. 이 구동기는 종종 몇 와트에서 수십 메가와트에 이릅니다. 종종 이러한 구동기는 AC 전력 분배를 사용하는 선박에서 가장 중요한 전력 변환 블록입니다. 따라서 뛰어난 효율성이 중요합니다.

다시 한번 기존의 실리콘 기반 전력 소자는 SiC 및 GaN 소자로 대체되어 크기 및 무게를 줄이면서 효율성을 높입니다. WBG 소자는 업계 리더로서 곧 Si 기반 소자를 추월하여 실리콘 기술로는 불가능한 최첨단 전력 전자 부품 시스템 솔루션을 제공할 것입니다.

미래 연료 터빈 구동 전기 발전기는 하이브리드 및 전기 항공 추진 시스템의 원동력이 될 것입니다. 전력 전자 부품은 추후 발전기와 모터를 연결하는 데 사용됩니다. 충분한 전력을 사용할 수 있으려면 매우 높은 DC 전압 버스가 필요합니다. 이러한 버스의 전압 범위는 가벼운 차량용인 몇 kV부터 항공기용 MV에 이르기까지 다양합니다. 또한 높은 DC 전압 버스를 사용하면 영구 자석 동기식 기계를 발전기로 사용할 수 있으므로 무효 전력 및 전력 전자 부품 등급이 낮아집니다. 전력 컨버터는 빠른 발전기 회전 속도로 인해 높은 스위칭 주파수에서 작동할 수 있는 장비가 필요하므로 필터 소자가 더 작고 더 가벼워집니다.

실리콘 카바이드는 높은 변환 효율을 보장하면서 모든 요구 사항을 충족하는 가장 유망한 반도체 소자입니다. 저출력 범위의 항공기의 경우 새로 생성된 3.3kV 및 6.5kV SiC MOSFET 소자에 이목이 상당히 집중되고 있습니다. 해당 소자는 대형 항공기의 고전압/전력 요구 사항을 충족하기 위해 모듈식 전력 컨버터 토폴로지에도 사용할 수 있습니다.

결론

실리콘 카바이드(SiC) 및 질화 갈륨(GaN)과 같은 와이드 밴드갭 반도체는 더 낮은 전력 손실로 고전압 및 고온을 처리할 수 있다는 점에서 기존의 반도체에 비해 여 이점을 제공합니다. 이러한 특성으로 인해 운송을 포함한 다양한 응용 분야에 사용되는 전력 전자 부품에 특히 적합합니다.

WBG 반도체는 보다 효율적이고 안정적인 전기 및 하이브리드 차량을 개발하기 위해 운송 산업에 사용됩니다. 와이드 밴드갭 반도체의 낮은 전력 손실로 인해 더 높은 스위칭 주파수를 허용하여 전력 전자 부품의 크기 및 무게를 줄입니다. 결과적으로 이는 차량 범위를 더 넓히고 충전 시간을 단축하며 전체 성능을 향상할 수 있습니다.

와이드 밴드갭 반도체는 또한 EV 및 HEV용 모터 구동기와 인버터를 포함하여 더 콤팩트하고 효율적인 동력 전달 장치 개발을 가능하게 합니다. 이러한 부품의 크기 및 무게를 줄임으로써 차량 설계자는 기타 부품을 위한 공간을 확보하거나 차량의 전반적인 공기 역학을 향상할 수 있습니다.

전기 차량 및 하이브리드 전기 차량 외에도 와이드 밴드갭 반도체는 항공기와 열차 같은 기타 운송 형태에도 사용할 수 있습니다. 이러한 응용 분야에서 와이드 밴드갭 반도체의 고온 및 고전압 용량은 전력 전자 부품의 효율성과 신뢰성을 높일 수 있으므로 운영 비용을 낮추고 안전을 강화할 수 있습니다.