[TECH REPORT] SiC 파워 반도체, 차세대 파워 트레인 기술로 주목

[로움=요이치 타메가이 / Motor Fan illustrated=입페이 타카하시] SiC는 소재 특유의 취급이 어렵다는 점과 차량 구동 용도에서는 까다로운 조건이 수반된다는 점에서 아직은 양산이 쉽지는 않다. 다만 로옴 등 일부 메이커에서는 이미 양산을 실시하고 있다.

배터리에 축적된 전력만으로 주행하는 EV의 미래를 좌우하는 기술적인 과제 중 하나가, 전력 이용에서의 효율 향상이다. 배터리의 전력을 낭비 없이 최대한 이용할 수 있게 되면 주행 거리의 연장뿐만 아니라, 기존의 주행 거리를 유지하면서 배터리를 소형화할 수도 있다.

주행에 필요한 에너지의 삭감으로 이어지는 배터리의 소형화·경량화는 고효율화로 이어지는 호순환이 된다. 리튬이온 배터리의 에너지 밀도와 저비용화가 한계점에 도달해 제조 자원의 확보라는 문제도 나타나고 있는 상황에서 문제 해결을 위해 주목을 받는 것이 바로 SiC 파워 반도체다.

파워 반도체는 배터리에 축적된 직류 전기를, 모터가 필요로 하는 교류로 변환하는 인버터에 있어서 중요한 역할을 담당하는 주역급의 전자부품 중 하나다. 배터리에서 모터로 흐르는 전기가 반드시 통과하는 ‘관문’이다. 전력 변환에 사용되는 소자(반도체)에는 반드시 손실이 수반된다.

상기 원그래프와 같이 손실은 주로 3종류로 분류할 수 있다. 최종적으로는 모두 열로 변환된다는 점에서 공통되며 대략 저항과 거의 동일한 의미이다.

최근 자동차에 있어서 파워 트레인의 전동화가 급속하게 추진된 배경에는, IGBT(절연 게이트 타입 바이폴라 트랜지스터)라는 파워 반도체의 활약이 있었다. IGBT는 Si(실리콘) 기판 상에 형성되는 Si 파워 반도체다. 반면에 차세대 EV의 파워 트레인을 지탱하는 SiC 파워 반도체는 SiC(실리콘 카바이드) 기판 상에 MOSFET(금속 산화막 반도체 전계 효과트랜지스터)라는 구조를 형성했다. 중요한 것은 SiC 파워 반도체(SiC MOSFET)가 Si 파워 반도체보다도 전압 내성과 손실 면에서 매우 우수하다는 점이다.

EV나 HEV에 필요시 되는 수백 V에도 견딜 수 있으면서 ON-OFF 전환 동작이 가능하도록, 소재로서 높은 전압 내성을 지닌 SiC 파워 반도체는 Si 파워 반도체와 동등한 성능을 1/10 정도의 두께로 확보할 수 있다. 전류가 통하는 거리도 1/10 정도가 된다는 의미다. 거리에 비례하는 전기 저항은 압도적으로 작아진다.

로옴에서 최신 제4세대 SiC MOSFET는 ‘트렌치’ 게이트 구조를 구성하는 기술을 진화시켜, 단위 면적당 ON 저항에서 최고 수준의 저저항을 실현했다. 스위칭 손실의 원인이 되는 기생 정전 용량도 저감했다. 제3세대 SiC MOSFET 대비 ON 저항을 40%, 스위칭 손실을 50% 저감해 성능 향상을 실현했다. 특히 스위칭 손실은 트랙션 인버터 용도로 사용 시 SiC MOSFET에서 발생하는 손실의 70% 이상을 차지하기 때문에  EV의 효율 향상에 크게 기여한다.

스위칭 손실 저감에서 크게 작용하는 것은, 응답성이 우수하다는 SiC MOSFET의 특성이다. 제어 신호에 대해 전압의 turn-on이 매우 빠르기 때문이다. 로옴에서는 독자적인 기술을 통해 한층 더 고속화, 그래프로 생각하면 전압 turn-on 시의 슬로프를 더 ‘수직’에 가깝게 함으로써 손실이 되는 슬로프 부분의 면적(전압 변화의 적분치)을 억제한다. 고속 스위칭이 반복되는 인버터에서는 그 횟수만큼 스위칭 손실이 발생하므로, 적은 손실이라고 하더라도 누적되면 무시할 수 없는 레벨이 된다.

응답성이 우수하다는 것은, 한층 더 고주파의 동작이 가능하다는 것이다. 고주파화는 전압이나 전류의 파형을 완만하게 하는 코일이나 콘덴서 등의 소형화로 이어진다. 부품의 크기는 인버터 유닛의 크기에도 크게 영향을 미치기 때문에 인버터의 소형화도 가능해진다. SiC의 고온 특성도 소형화에 유리하게 작용한다. SiC 파워 반도체는 Si 파워 반도체에 비해 100도 이상의 고온에서도 안정적으로 성능을 발휘할 수 있기 때문에 수냉을 공냉으로 변경하거나 방열판의 소형화 등 냉각 구조의 간략화도 가능하다.

손실이 적고, 고주파 동작도 가능해지는 등 SiC MOSFET의 장점은 많지만, 장점을 최대화하기 위해서는 SiC MOSFET라는 디바이스의 특성을 잘 이해하고 사용해야 한다. 파워 모듈 내의 경우 SiC MOSFET에서 본딩 와이어 등의 배선 시 인덕턴스의 영향을 고려해야 한다. 아주 작은 수치이기는 하지만, 이것이 영향을 미칠 정도, 미세한 시간 단위까지 유의하는 것이 좋다.

로옴에서는 EV용으로 SiC MOSFET를 구동하기 위한 게이트 드라이버 IC의 제공 및 SiC MOSFET 를 사용해 모듈을 설계할 때의 서포트도 실시하고 있다.

로옴은 2012년 SiC에서 자동차기기 신뢰성 규격인 ‘AEC-Q101’에 대한 대응을 시작한 이래, 자동차의 차량용 충전기나 DC-DC 컨버터를 주축으로 SiC MOSFET의 실적을 축적해왔다. 최신 제4세대 SiC MOSFET는 내구성 및 신뢰성(단락 내량 시간)을 손상하지 않고 손실을 더욱 저감해 자동차의 트랙션 인버터 용도에 비중을 두고 개발했다. 그 특성 역시 폭넓은 운전 영역에서 높은 효율을 발휘할 수 있다. 높은 토크와 낮은 회전 영역에서의 효율은 자동차의 시가지 주행에서 많이 활용되는 특성이다.

제4세대 SiC MOSFET는 IGBT를 이용하는 경우와 비교하면, WLTC 모드 주행에서 총 6%의 전비 개선을 실현한다. 시가지 주행만 비교하면, 10%에 해당하는 개선 효과를 얻을 수 있다. 전비가 향상되면 지금까지와 동등한 주행 거리를 더 작은 배터리 용량으로 달성할 수 있게 된다. 배터리 비용으로 환산하면, IGBT 대비 5만 5000엔, 타사의 SiC MOSFET와 비교해도 2만 4000엔의 삭감이 가능하다.

왼쪽 그림의 막대 그래프는 WLTC에 준거해 주행 모드를 가정한 실험에서 얻은 전비이다. 꺾은 선 그래프는 IGBT 대비 제4세대 SiC MOSFET의 전비 개선율이다. 시가지 모드가 가장 높은 개선율을 보였고, 전체 평균치를 높이고 있는 것을 알 수 있다.

오른쪽 그래프는 전비를 바탕으로 동일한 주행 거리를 확보할 때 필요한 배터리 비용을, 파워 모듈의 종류에 따라 비교한 것이다. 로옴의 제4세대 SiC MOSFET를 탑재한 파워 모듈은 IGBT 대비 5만 5000엔, 경합 타사의 SiC 대비 2만 4000엔의 비용 삭감이 가능하다.

로옴은 웨이퍼의 생산에서 프로세스, 패키징까지 모두 일관하여 실시하고 있다. 칩, 패키지(디스크리트) 제품 형태로 제4세대 SiC MOSFET를 제공해 EV의 전력 효율 개선에 대응하고 있다.

자동차에서 파워 반도체가 적용된 부분은 상기 그림의 두꺼운 테두리로 표시한 3부분이다. 100~200V의 가정용 교류 전원을 직류로 정류하고 승압하여 주행용 배터리로 유도하는 차량용 충전기와 주행용 배터리의 전압을 보조기기용(점화용) 12V 배터리로 강압해 공급하는 DC-DC 컨버터, 주행용 배터리의 직류를 운전 상태에 따른 주파수의 교류로 변환하는 인버터이다. 모두 고전압을 취급하면서 전력 변환을 실행하는 부분이다. 지금까지 사용된 Si 반도체의 IGBT에서 SiC 반도체의 MOSFET로 대체됨에 따라, 효율 향상 및 보조기기의 소형화 등을 기대할 수 있다.

아래 그림은 파워 반도체에 사용되는 재료의 특성을 레이더 차트로 비교한 것이다. SiC(적색)가 재료로서 현재 가장 일반적인 Si(하늘색)를 모든 면에서 뛰어넘는다. 주황색의 GaN(질화 갈륨)에 비해서도 열 전도율에서 약 2배에 해당하는 우수한 특성을 지니고 있다. SiC의 전압 내성(절연 파괴 전계 강도)을 활용해 IGBT보다 심플한(PN 결합층이 1층 없음) MOSFET 구조를 사용하면 EV 및 HEV가 사용하는 고전압 대전류에 대응하면서 Knee 전압으로 불리는 IGBT의 단점을 회피할 수 있다. 시가지 주행에서 많이 사용되는 저전류 영역에서 대폭적인 효율 개선 효과를 얻을 수 있다.

MOSFET를 형성할 때, 횡 방향으로의 확산에 따라 전류량에 대응하는 ‘Planar 구조’와 도랑을 형성하여 대응하는 ‘Trench 구조’로 분류된다. 로옴은 SiC MOSFET에서 ‘Trench 구조’를 사용하며 제4세대 제품에서는 이 구조를 한층 더 진화시켜, 규격화 ON 저항을 실현했다. 스위칭 손실도 약 50%까지 삭감했다.

초고속 동작이 가능한 SiC MOSFET의 성능을 최대화하기 위해서는 전자 부품 및 기판에서의 미세한 전기적 동작 등 특성을 고려한 설계가 필요하기 때문에 유저는 개발 단계에서 많은 설계 툴이 필요하다. 로옴은 SiC MOSFET의 디바이스 모델을 사용한 회로 시뮬레이터 및 실제 기기 검증용 평가 보드 등 다양한 솔루션을 구비해 모듈 설계 시의 서포트를 실시하고 있다.

상기 그림은 IGBT와 로옴의 제4세대 SiC MOSFET, 각각을 트랙션 인버터 용도를 가정해 사용했을 때의 모터 효율 분포를 비교한 것이다. 전력 공급 측뿐만 아니라 회생측도 나타내므로 윤곽부는 모터의 토크 곡선이 아래 쪽으로 대칭된 형태가 된다. SiC 쪽이 고효율을 나타내는 난색 계열의 범위가 명확하게 넓고, 상용 운전 영역에 해당되는 낮은 회전, 높은 토크 영역까지 분포된 것을 알 수 있다. 왼쪽 사진은 제4세대 SiC MOSFET를 트랙션 인버터용으로 성능 평가할 때 사용한 로옴의 Dynamometer(모터에 의한 부하를 발생시킴) 시설이다. 테스트 모터 쪽에 파워 반도체를 탑재한 모듈을 접속시킨다.

* Motor Fan illustrated volume 188에도 게재됐습니다.