EV를 향상시키는 SiC 회로

전기차의 효율을 높여주는 실리콘 카바이드(SiC) 전력전자 소자

2023년 1월 30일, Coherent

전 세계의 많은 정부가 전기 자동차(EV) 기술을 적극적으로 홍보하고 있지만, 소비자들은 이에 대해 보편적으로 열광하지 않았습니다. EV의 대중적 수용을 제한하는 두 가지 주요 요인은 주행 범위와 비용입니다.

EV 설계 측면에서 주행 범위를 개선하는 가장 효율적인 방법은 배터리 전압을 높이는 것입니다. 현재 대부분의 EV 배터리 출력은 400V 이하입니다. 이를 800V로 높이면 동일한 전류에서 차량에 더 많은 전력을 공급할 수 있습니다. 또한 특정 전력 수준에서 시스템 효율도 향상됩니다.

EV 비용을 절감하기 위한 핵심 도구는 전력 전자공학의 효율성과 가장 중요한 전력 밀도(전체 크기에 대한 전력 효율성의 비율)를 개선하는 것입니다. 전력 전자공학의 기능은 배터리에서 공급되는 고전압 DC를 차량에 필요한 다양한 형태로 변환하는 것입니다. 여기에는 트랙션 모터(바퀴 구동)에 필요한 3상 교류(AC), 온보드 충전기 및 기타 시스템에 필요한 다양한 DC/DC 변환이 포함됩니다.

설계자의 SiC(실리콘 카바이드)를 통한 문제 해결

더 높은 배터리 전압의 사용을 제한하고 시스템 전력 밀도의 추가 개선을 방해하는 것은 무엇일까요? 문제의 상당 부분은 대부분의 전력 전자공학이 실리콘 반도체 전원 스위치를 이용하고 있다는 점입니다. 실리콘은 현재 거의 모든 전자 장비의 집적 회로에 사용되고 있지만 고전압과 고온에서는 잘 작동하지 않습니다. 이것이 바로 EV 전력 전자공학의 현재 상황입니다.

다행히도, 이러한 종류의 응용 분야에는 실리콘을 대체할 실리콘 카바이드(SiC)라고 하는 반도체 재료가 있습니다. 이 물질은 EV 전력 전자공학에서 발견되는 고전압, 고온, 고전력에서의 사용에 최적인 일련의 전자 특성을 갖추고 있습니다. EV 전력 전자공학용 SiC의 주요 속성과 이점은 표에 요약되어 있습니다.

속성	설명	혜택
고온 작동	SiC 전력 장치는 기존의 실리콘 기반 스위치보다 훨씬 높은 작동 온도와 허용 가능한 접합 온도를 갖추고 있습니다. SiC는 또한 실리콘보다 열전도율이 상당히 우수합니다.	따라서 냉각 구성 요소와 부피가 큰 방열판 재료가 필요 없게 됩니다. 이를 통해 차량의 크기, 중량 및 비용이 절감됩니다.
고전류 운반 용량	SiC 전력 장치는 실리콘 전력 구성 요소보다 최대 5배 높은 전류 밀도를 전달할 수 있습니다.	이는 칩 내의 전력 밀도를 높이고 시스템에 필요한 총 구성 요소의 수를 감소시킵니다. 이를 통해 트랙션 인버터의 크기, 비용 및 복잡성을 줄일 수 있습니다.
높은 스위칭 주파수	SiC 기반 전력 구성 요소는 실리콘 회로에 비해 고온, 고전압 및 고전력 작동 조건하에서 훨씬 더 고속으로 스위칭할 수 있습니다.	고속 스위칭은 커패시터나 인덕터와 같은 트랙션 인버터에서 사용되는 수동 구성 요소의 크기와 비용을 절감합니다.
고전압 용량	SiC 스위치는 실리콘 스위치보다 최대 10배 더 높은 전압을 견딜 수 있습니다.	이를 통해 고전압 시스템에 필요한 직렬 스위치의 수를 최소화하여 시스템 비용과 크기를 줄일 수 있습니다. 또한 차량 주행 범위 확대와 충전 시간 단축을 위해 800V 시스템으로의 EV 산업 마이그레이션을 지원하고 있습니다.

전 세계 SiC 수요를 충족

자동차 제조사들은 이미 SiC 전력 스위치의 장점을 충분히 인식하고 있습니다. 반도체 제조사들은 그러한 수요를 충당하고자 생산 용량을 확대하기 위해 노력하고 있습니다.

그러나 향후 전기차 업계가 원하는 물량과 목표 가격에 부합하는 고품질 SiC 소자를 생산하기란 쉽지 않습니다. 사실상 수십 년 동안 연구 개발 과정을 거듭해 왔으나 고품질의 무결점 SiC 웨이퍼를 대량 생산할 기술을 완벽하게 확보한 공급사는 전 세계에 몇 곳 되지 않습니다.

더욱이 자동차 제조사는 가급적 수직 통합된 공급자로부터 SiC 기반 전력 소자를 조달하고 싶어합니다. 즉 웨이퍼 재료 증착부터 완성된 패키지된 소자 제조까지 모든 공정을 수행하는 회사를 원하는 것입니다. 재료 기판과 에피택시(epitaxy)에 대한 제어와 소유권을 가진 부품 제조사는 자동차 제조사 또는 각각의 부품 공급사에게 제품이 안정적으로 납품되고 일관된 품질을 유지할 것이라는 신뢰를 줄 수 있습니다. 문제가 발생했을 경우 공급사슬의 다른 공급사에게 책임을 돌릴 우려도 없어집니다.

코히런트는 전 세계에서 완벽하게 수직 통합된 SiC 제조 능력을 보유한 몇 안 되는 회사로, SiC 웨이퍼와 Epitaxy 에피택시부터 전력 소자와 모듈까지 생산하고 있습니다. 또한, 코히런트는 독보적인 품질의 SiC 재료를 생산할 수 있으므로 사실상 현재의 표준 150mm 직경 웨이퍼에서 최대 200mm까지 성공적으로 전환할 수 있는 유일한 공급사입니다. 대형 웨이퍼를 사용하면 기기 비용을 크게 줄일 수 있다는 장점이 있습니다.

소비자의 전기차 선호도를 높이려면 기존 내연기관 차량과 같은 수준의 편리성과 경제성을 제공해야 합니다. 이를 위해 초기 구매 비용과 운용비를 낮춰야 하며, 주행거리를 늘리고 충전 시간을 단축해야 합니다. SiC의 고유 물성을 이용해 차량용 전력 전자 소자를 생산하는 것은 이 모든 목표를 달성하는 데 중요한 역할을 할 것입니다. 그리고 SiC 소자의 비용을 절감하려는 코히런트의 노력 덕분에 이 기술은 성공 가도에 안착해 있다고 볼 수 있습니다.

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