[TECH REPORT] 전기차 주행거리 5% 향상, 신뢰할 수 있는 SiC 공급으로 가능하다

[온세미=조너선 랴오(Jonathan Liao) 매니저] 증가하는 소비자의 요구, 환경 문제와 규제, 선택 가능한 옵션의 증가에 힘입어 전기 자동차(EV)의 채택이 늘어나고 있다. 골드만삭스 조사에 따르면 2023년 전기차 판매는 전 세계 자동차 판매량의 10%를 차지했다.

2030년에는 이 비율이 30%로 증가할 것으로 예상되며 2035년에는 전기차 판매가 전 세계 자동차 판매의 절반을 차지할 것으로 예상된다. 하지만 배터리를 충전량과 원하는 이동 거리와의 차이로 인한 ‘주행거리 불안(range anxiety)’이 전기차 채택에 있어 주요 장벽 중 하나로 작용한다. 이를 극복하는 방법은 비용을 크게 늘리지 않고 주행거리를 늘리는 것이다.

본 기고에서는 트랙션 인버터에 실리콘 카바이드(SiC) 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)를 사용해 전기차의 주행거리를 최대 5%까지 늘릴 수 있는 방법에 대해 설명한다.

또한 일부 OEM이 실리콘 기반 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)에서 SiC 디바이스로의 전환을 꺼려하는 이유와 이러한 우려를 완화하고 와이드 밴드갭 반도체 기술에 대한 확신을 주기 위한 온세미의 노력을 다룬다.

▶자동차용 트랙션 트렌드
전기차의 트랙션(메인) 인버터는 DC 배터리 전압을 차량 추진을 담당하는 전기 트랙션 모터에 필요한 AC 전압으로 변환한다. 트랙션 인버터 설계의 최근 트렌드는 다음과 같다.

동력 증가: 인버터의 동력 출력이 클수록 차량이 더 빠르게 가속하고 운전자에게 반응할 수 있다.
효율성 극대화: 추진에 사용 가능한 전력을 늘리려면 인버터가 소비하는 전력량을 최소화해야 한다.
높은 전압: 최근까지 가장 일반적으로 400V 배터리를 사용했지만 자동차 업계에서는 전류, 케이블 두께, 무게를 줄이기 위해 800V로 전환하고 있다. 전기차의 트랙션 인버터는 이런 높은 전압 레벨을 처리하고 올바른 외부 소자를 사용할 수 있어야 한다.
감소한 무게와 크기: SiC는 실리콘 기반 IGBT에 비해 전력 밀도(kW/kg)가 높다. 전력 밀도가 높을수록 시스템 크기(kW/리터)를 줄일 수 있으며 이는 전기 모터의 부하를 줄이면서 트랙션 인버터의 무게를 줄일 수 있다. 차량 중량을 줄이면 동일한 배터리로 주행 가능 거리를 늘릴 수 있고 동시에 드라이브 트레인을 더 작게 만들어 탑승자와 트렁크/프렁크 적재 공간을 늘릴 수 있다.

▶실리콘과 비교한 SiC 이점
SiC는 실리콘에 비해 몇 가지 재료적 이점을 갖고 있어 트랙션 인버터 설계에 더 적합하다. 첫 번째는 물리적 경도다. 실리콘의 6.5Mohs에 비해 실리콘 카바이드는 9.5Mohs로 고압 소결에 더 적합하고 기계적 무결성이 뛰어나다.

두 번째는 열전도율(4.9W/cm.K)이 실리콘(1.15W/cm.K)의 4배 이상이다. 이는 열을 보다 효율적으로 전달해 더 높은 온도에서도 안정적으로 작동할 수 있음을 의미한다.

마지막으로 SiC는 항복 전압이 8배 더 높고(2500kV/cm 대300kV/cm) 넓은 밴드갭 특성으로 인해 더욱 빠르게 켜고 끌 수 있어 점점 더 높아지는 전기차의 고전압(800V) 아키텍처에 적합한 선택이다. 밴드갭 전압이 넓어 실리콘보다 손실이 적다는 장점도 있다.

▶SiC 채택 관련 기존 문제 해결
SiC의 명백한 이점에도 불구하고 일부 자동차 OEM은 트랙션 인버터용 IGBT와 같은 기존 실리콘 기반 스위칭 디바이스 사용에서 더디게 전환하고 있다. SiC 채택을 꺼리는 이유에는 다음과 같은 인식이 있다.

• 숙련된 기술이 아님
• 회로 구성의 어려움
• 트랙션에 적합한 패키지가 준비되어 있지 않음
• 실리콘 기반 디바이스보다 공급이 용이하지 않음
• IGBT보다 가격이 비쌈

계속해서 이런 인식이 근거가 없는 이유와 OEM에서 전기차 트랙션 인버터에 SiC를 사용해야하는 이유를 다각적인 접근 방식으로 얘기하고자 한다.

▶트랙션 인버터 효율 높이는 SiC
확신을 주기 위한 첫 번째 단계는 트랙션 인버터 설계에 SiC 사용으로 얻을 수 있는 확실한 성능 이점을 입증하는 것이다.

회로 설계 소프트웨어를 사용해 온세미의 NVXR17S90M2SPB(1.7mΩ Rdson)와 NVXR22S90M2SPB(2.2mΩ Rdson), 엘리트 실리콘 카바이드(EliteSiC) 전력 900V 6팩 전력 모듈을 시뮬레이션하고 해당 성능을 온세미의 820 A VE-Trac Direct IGBT와 비교했다. 트랙션 인버터 설계에 대한 시뮬레이션은 다음과 같다.

• 10KHz 스위칭 주파수에서 550Arms 전력 공급을 갖춘 450V DC 버스 전압의 경우 동일한 냉각 조건에서 SiC 모듈(111°C)의 Tvj(접합 온도)는 IGBT(142°C)의 Tvj보다 21% 낮다.
• IGBT와 비교했을 때 NVXR17S90M2SPB의 평균 스위칭 손실은 34.5% 낮았고 NVXR22S90M2SPB의 손실은 16.3% 낮았다.
• NVXR17S90M2SPB를 사용해 구현한 풀 트랙션 인버터 설계의 경우 전체 손실이 40% 이상 낮았으며 IGBT 기반 설계와 비교했을 때 NVXR22S90M2SPB를 사용하면 전력 손실이 최대 25%까지 감소했다.

이런 개선사항은 트랙션 인버터에 국한된 것이지만 전체 전기차 성능에서는 5%의 효율성이 향상돼 주행 가능 거리를 5% 늘릴 수 있다.

예를 들어 주행거리가 500km인 100kW 배터리를 장착한 전기차가 온세미의 EliteSiC 전력 모듈을 사용해 설계된 트랙션 인버터를 사용하면 최대 525km를 주행할 수 있다. 중요한 점은 이런 트랙션 인버터에 SiC를 사용하는 비용도 실리콘 IGBT보다 5% 낮다는 것이다.

▶유사한 풋프린트에서 IGBT보다 높은 전력 공급 제공하는 SiC
IGBT에서 벗어나는 것을 고려하는 OEM을 위해 온세미는 기존 모듈과 유사한 기구적 형태를 갖는 SiC 모듈을 제공해 쉽게 시스템을 구성될 수 있도록 제공하고 있으며 이를 통해 제조 공정 변경없이 바로 적용할 수 있도록 도와준다.

또한 동일한 접합 온도에서 더 높은 전력 공급이라는 이점도 추가적으로 제공한다. 예를 들어 IGBT(Tvj=150°C)의 경우 590Arms에 불과한 반면 SiC를 사용하는 NVXR17S90M2SPB는 760Arms를 제공할 수 있어 전력이 29% 증가한다.

여기에 온세미는 다이렉트 본드 구리판에 SiC 다이스를 신터링해 디바이스 접합부와 냉각부 사이의 열 저항을 최대 20%까지 낮췄다.

향상된 인터커넥트 기술을 사용하는 트랜스퍼 몰딩 패키징은 이런 모듈이 높은 전력 밀도로 동작할 수 있도록 기여하며 고속 스위칭 효율성에 중요한 낮은 스트레이 인덕턴스를 제공한다.

이를 통해 스위칭 주파수를 높일 수 있어 시스템에서 일부 수동 부품의 크기와 무게를 줄일 수 있다. 그리고 최대 200°C 동작 온도 옵션을 제공하는 패키지를 사용하게 되면 OEM의 냉각 요구 사항을 줄이고 잠재적으로 열관리를 위해 더 작은 냉각 펌프를 사용할 수 있도록 한다.

▶트랙션 인버터 이외에도 의미있는 SiC로의 전환
전기 자동차(EV) 배터리 전압이 증가하면 동일한 전력 출력을 달성하기 위해 전류를 낮출 수 있다. 시스템 관점에서는 자동차의 케이블이 더 얇아지게 된다.

SiC 디바이스는 실리콘보다 발열량이 적기 때문에 트랙션 인버터뿐만 아니라 광범위한 전기차 아키텍처에서 더 높은 전력 밀도 수준을 구현할 수 있다. 따라서 SiC로의 전환은 점점 더 논리적으로 선택해야만 하는 것이다.

▶OEM의 공급 문제 해결하는 온세미
온세미는 완전히 통합되고 알맞은 SiC 공급망과 에코시스템을 구축하는 데 많은 투자를 해왔다. 여기에는 웨이퍼 에피택시와 150mm 제조(200mm 예정)의 개별 제품, 집적 회로 장치, 모듈, 레퍼런스 애플리케이션 설계가 포함된다.

10년 넘게 쌓아온 온세미의 전문성은 자동차 OEM이 SiC로 전환할 때 갖게 될 모든 우려를 잠재울 수 있는 궁극적인 확실성을 제공한다.