[TECH REPORT] SiC로 차세대 솔리드 스테이트 회로 차단기 실현하기

[온세미=스라반 바나파시 시니어 디렉터] 실리콘 카바이드(SiC) 디바이스가 전기차(EV)와 태양광 발전(PV) 애플리케이션에 제공하는 성능적인 이점은 이미 잘 알려져 있다. 그러나 SiC의 소재적 장점이 다른 응용 분야에서도 활용될 수 있는데 그 중 하나가 회로 보호 응용 분야다.

이번 기고에서는 다양한 반도체 디바이스로 구현된 솔리드 스테이트 회로 차단기(이하 SSCB)와 기계적 보호의 장점을 포함한 이 분야의 발전 상황을 검토한다. 마지막으로 SiC가 SSCB에 매력적인 옵션인 이유를 설명한다.

▶전기 인프라 및 장비 보호
전기 송배전 시스템과 민감한 장비는 장시간 과부하와 일시적인 단락 조건에 대한 보호가 필요하다. 전기 시스템과 전기차가 점점 더 높은 전압을 사용하면서 최대 잠재적 고장 전류가 그 어느 때보다 높아졌다.

이런 대전류로부터 보호하기 위해 초고속 AC 및 DC 회로 차단기가 필요하다. 기존 기계식 회로 차단기가 이런 용도에 많이 사용됐지만 점점 더 까다로워지는 작동 요구 사항으로 인해 SSCB가 더 널리 사용되고 있다. SSCB는 기계식 접근 방식에 비해 몇 가지 장점이 있다.

• 내구성과 신뢰성: 기계식 회로 차단기에는 기계적인 동작 부품이 포함돼 있어 다소 약하다. 즉 움직임으로 인해 쉽게 파손되거나 실수로 오동작 할 수 있으며 수명이 다할 때까지 재설정될 때마다 마모될 수 있다. 반면 SSCB는 기계적 동작 부품이 없기 때문에 더 견고하고 우발적인 손상 가능성이 훨씬 적어 수천 회에 걸쳐 반복적으로 사용할 수 있다.

• 온도 유연성: 기계식 차단기의 작동 온도는 구조에 사용되는 재료에 따라 다르며 이런 재료에 의해 동작 온도를 제한한다. 따라서 SSCB의 동작 온도는 기계식 차단기보다 높게 설정할 수 있다.

• 수동 구성: 한 번 동작된 기계식 차단기는 사람이 수동으로 재설정해야 하기 때문에 시간과 비용이 많이 든다. 특히 여러 곳에 설치돼 있는 경우 안전에도 영향을 미칠 수 있다. SSCB는 유선 또는 무선 연결을 통해 원격으로 재설정할 수 있다.

• 더 빠른 스위칭과 아크 없음: 기계식 차단기가 동작하면 부하 장비를 손상시킬 수 있을 만큼 큰 아크와 전압 변동이 발생할 수 있다. 이런 유도성 전압 스파이크와 정전 용량성 돌입 전류의 영향은 SSCB에서 소프트 스타트 방법을 사용해 보호할 수 있다. 이를 통해 오류 발생 시 수 마이크로초 단위로 훨씬 빠르게 동작할 수 있다.

• 유연한 전류 정격: 기계식 회로 차단기는 정격 전류가 고정돼 있는 반면 SSCB는 정격 전류를 프로그래밍할 수 있다.

• 크기와 비용 감소: 기계식 차단기에 비해 SSCB는 무게가 훨씬 가볍고 공간을 덜 차지한다.

▶기존 SSCB의 한계점
SSCB는 기계식 차단기에 비해 장점이 있지만 전압과 전류 정격이 제한되고 전도 손실이 높아 가격이 더욱 비싸다는 단점이 있다. SSCB는 일반적으로 AC 애플리케이션용 TRIAC(실리콘 제어 정류기) 또는 DC 시스템용 Planer MOSFET을 기반으로 한다.

TRIAC 또는 MOSFET은 스위칭 기능을 구현하고 광학적으로 절연된 드라이버가 제어 소자 역할을 한다. 그러나 이런 대전류 MOSFET 기반 SSCB는 높은 출력 전류에서 히트 싱크가 필요하기 때문에 기계식 회로 차단기와 동일한 전력 밀도 수준을 구현할 수 없다.

절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)는 포화 전압으로 인해 수십 암페어를 초과하는 전류에 대해 과도한 전력 손실을 유발한다. 따라서 이런 IGBT를 사용해 구현된 SSCB에도 히트 싱크가 필요하다.

예를 들어 500암페어(amps)에서 IGBT에 2V의 전압 강하가 발생하면 1000W가 손실된다. 이런 전력을 공급하기 위해서는 MOSFET에 약 4mΩ의 온저항(on-resistance)이 필요하다.

이 저항 수준은 현재 전기차에서 800V 또는 그 이상으로 향하고 있는 전압 정격의 단일 디바이스로는 달성할 수 없다. 이론적으로는 디바이스를 병렬로 연결해 이 수치를 실현할 수 있지만 이런 접근 방식은 솔루션 크기와 비용을 크게 증가시킨다. 양방향 전류 흐름을 수용해야 하는 경우 더욱 그렇다.

▶SiC 전력 모듈을 사용한 차세대 SSCB 구현
SiC 다이는 동일한 정격 전압과 온저항에서 기존 실리콘 다이의 동급 제품보다 최대 10배 더 작을 수 있다.

또한 SiC 디바이스는 실리콘 디바이스보다 최소 100배 이상 빠르게 전환할 수 있고 최고 온도에서 실리콘보다 2배 이상 높은 온도에서 동작할 수 있다. 동시에 열 전도성이 뛰어나 더 낮은 온도에서도 견고하게 작동한다.

온세미는 이런 특성을 활용해 1200V 디바이스에 대해 1.7mΩ의 낮은 온저항 값을 제공하는 다양한 엘리트 실리콘 카바이드(EliteSiC) 전력 모듈을 개발했다. 이는 하나의 패키지에 2개에서 6개의 SiC MOSFET을 통합 및 내장한다.

소결 다이 기술(Sintered die technology)은 패키지 내부에 두 개의 개별 다이를 결합해 고전력 레벨에서도 안정적인 제품 성능을 제공한다. 빠른 스위칭 동작과 높은 열 전도성 덕분에 오류가 발생하면 최종 애플리케이션을 빠르고 안전하게 ‘트립(trip)’, 즉 회로를 개방해 정상 동작 조건이 회복될 때까지 전류가 흐르지 않도록 차단한다.

이와 같은 모듈은 실제 회로 차단기 애플리케이션에 필요한 낮은 온저항 값과 소형 폼 팩터를 제공하기 위해 여러 SiC MOSFET 디바이스를 단일 패키지에 통합하는 것이 가능해짐을 보여준다.

아울러 온세미는 650~1700V 범위의 전압을 견딜 수 있는 EliteSiC MOSFET과 전력 모듈을 제공하기 때문에 단상과 3상 가정용, 상업용, 산업용 분야의 SSCB에도 적용할 수 있다. 온세미의 수직적으로 통합된 SiC 공급망은 철저한 신뢰성 테스트를 거친 결함 제로에 가까운 제품을 SSCB 제조업체에 제공한다.

아래 그림은 여러 개의 스위치가 병렬로 배치된 다중 1200V SiC 다이가 있는 모듈을 이용해 SSCB를 백투백으로 구현한 것이다. 이는 가장 낮은 RDS(on)와 최적화된 열 방출을 달성하기 위해서다. 최적화된 핀 위치와 배치로 아래와 같이 완전히 통합된 모듈은 기생성분을 줄이고 스위칭 성능과 고장 응답 시간을 개선하는 데 도움이 된다.

온세미는 최종 애플리케이션 요구 사항과 효율 요구 사항에 따라 베이스 플레이트가 있는 모듈과 베이스 플레이트가 없는 모듈로 정격 650V, 1200V, 1700V의 광범위한 SIC 모듈 포트폴리오를 제공한다.

▶SiC와 SSCB의 공진화
기계식 회로 차단기는 전력 손실이 적고 전력 밀도가 높으며 현재 SSCB보다 가격이 저렴하다. 하지만 반복적인 사용으로 인해 파손되기 쉽고 초기화 또는 교체와 관련된 비용이 많이 드는 수동 유지보수가 필요하다.

전기차 채택이 증가함에 따라 회로 차단기와 SiC 디바이스에 대한 수요는 계속 증가할 것이며 이에 따라 와이드 밴드갭 기술은 점점 더 비용 경쟁력이 높아지고 SSCB 솔루션 사용이 매력적일 것이다.

SiC 공정 기술이 발전하고 독립형 SiC MOSFET의 저항이 더욱 낮아져 결국 기계식 회로 차단기와 비슷한 수준에 도달하면 전력 손실은 더이상 문제가 되지 않을 것이다. SSCB는 SiC 기반 디바이스로 구성돼 빠른 스위칭과 아크 발생이 없고, 유지보수가 불필요해 상당한 비용이 절감되는 등의 이점을 제공함으로써 필연적으로 표준이 될 것이다.