전력반도체와 친환경 전기자동차

앞서 전력용 반도체인 SiC MOSFET과 GaN MOSFET을 비교하며 전력 반도체의 장점에 대해 포스팅을 한 바 있다. 이번 포스팅에서는 전력반도체를 전기자동차 관점에서 작성해보려고 한다.

전기자동차는 말 그대로 전기로 자동차가 움직이기 때문에 전력을 관리하는 것이 매우 중요하다. 일례로, 배터리의 경우 직류를 모터의 경우 교류를 필요로 하기 때문에 인버터와 컨버터와 같은 전력 변환기가 필요하다. 뿐만 아니라, 자동차에서는 주로 12V 전력 시스템을 사용하는 반면, 배터리의 전압은 매우 높기 때문에 전압을 높이고 낮추는 것이 필요하다. 낮은 전압을 높여줄 때 보통 부스트 컨버터, 높은 전압을 낮춰줄 때 벅 컨버터를 사용한다. 이렇게 다양한 회로를 구성할 때 필요한 것 중 하나가 MOSFET(모스펫)이다.

MOSFET은 스위치 역할을 하는데 스위칭 하는 주기의 역수를 스위칭 주파수 (Switching frequency)라고 한다. 주파수를 가지면 공기가 진동하고 그것이 소리가 되어 우리의 귀로 들어오는 것이다. 그리고 사람의 귀로 들을 수 있는 소리를 가청 주파수라고 하고 보통 20hZ에서 20kHZ을 말한다. 그럼 전력변환기에서 사용하는 스위칭 주파수가 가청 주파수 범위에 속한다면, 사람의 귀에 들릴 것이고 이것은 소음이 될 것이다.

견인모터를 구동하는 3상 하프브리지 인버터(보통 3상 인버터라고 부름)는 IGBT 스위치를 사용하는데, IGBT의 스위칭 주파수가 가청 주파수 대역에 포함되어 있다. 이는 소음으로 이어지기 때문에 해결해야 할 것이다.

 

그렇다면 IGBT의 스위칭 주파수를 높여주면 될까? IGBT의 소자 특성 상 스위칭 주파수를 너무 높이면 과도한 스위칭 열 손실때문에 소자의 신뢰성에 문제가 생긴다. 반대로 IGBT의 스위칭 주파수를 매우 낮추면 된다고 생각할 수 있지만, 스위칭 주파수는 수 kHz 이상 되어야 해서 이 또한 불가능하다.

그 대안으로 MOSFET을 사용하게 된다. MOSFET은 가청 주파수 이상의 대역에서 스위칭을 할 수 있다. 소음 문제를 해결하기 위해 IGBT 대신 MOSFET을 스위치로 사용하면 되겠다. 스위칭 주파수를 높이면 가청 소음이 없다는 것 외에도 인덕터, 커패시터와 같은 수동소자의 물리적인 크기를 줄일 수 있다는 장점도 있다. 하지만, MOSFET으로 대용량의 전력 변환기를 만들기에는 효율이나 신뢰성이 부족하다.

그래서 주목받고 있는 것이 전력반도체인 SiC MOSFET과 GaN MOSFET이다. 참고로, 일반적으로 우리가 알고 있는 MOSFET은 Si(실리콘)으로 만들어진 Si MOSFET이다. 그리고 Si보다 band gap이 더 큰 SiC와 GaN을 사용하여 전력반도체를 WBG(Wide Band Gap) 반도체라고도 부른다. 보통 온도가 높아지면 반도체의 밴드 갭이 작아지는 경향을 보인다. 다시 말해서, 높은 온도에서 Si 반도체를 사용하기 어렵다는 뜻이다. 반면 밴드 갭이 넓은 SiC와 GaN은 밴드 갭이 넓기 때문에 Si보다 더 높은 온도에서 사용해도 문제가 없다. 그 외에도 밴드 갭이 넓기 때문에 고온, 고전압에서 사용 가능하고 소형화가 가능하며 더 높은 효율을 갖는다.

 

위의 그림을 살펴보면 전력 반도체라고 하더라도 SiC 모스펫과 GaN 모스펫의 동작 범위가 다른 것을 확인할 수 있다. GaN 모스펫은 출력 용량이 비교적 작은 대신 더 높은 주파수에서 동작이 가능하고 SiC 모스펫은 비교적 낮은 주파수에서 동작하는 대신 더 높은 출력 용량을 갖는다.

 

지금까지의 포스팅을 읽어보더라도 소자를 선정하는데 고려해야 할 사항이 굉장히 많다는 것을 알 수 있다. 

 

동작 주파수를 높이면 소음 문제 해결, 수동 소자 소형화가 가능하다는 장점이 있다. 반면, 스위칭 주파수가 높아지면 스위칭 속도가 빨라진다는 것이고 그로 인해 스위칭 손실이 증가하며 회로 내의 여러 기생 성분을 자극(EMI 문제, 누설 전류 문제 등)한다는 단점도 있다.

 

WBG 반도체도 범위에 따라, 용도에 따라 적절히 소자를 선택해야한다.

 

즉, 전력전자 분야에서 소자를 선정하는 것도, 스위칭 주파수를 정하는 것도 굉장히 다양한 요소를 복합적으로 고려해야 한다.