글: 마르셀 콩세 마우저일렉트로닉스 EMEA 마케팅팀 담당
전기자동차(EV)는 여전히 극복해야할 과제가 많다. 배터리 생산, 재활용, 발전과 같은 글로벌 환경 문제는 비용이나 배터리 용량, 충전 인프라 등 개인적인 측면뿐만 아니라 실용성까지 얽힌 복잡한 문제다. 하지만 이 중 일부는 최첨단 반도체 기술로 해결할 수 있다.
실리콘카바이드(SiC)는 오랫동안 반도체 소재로 사용돼 왔다. SiC는 1906년 전파탐지기 다이오드로서 처음 특허가 출원됐으며, 오늘날에는 해군용 수신 기술에 보편적으로 사용되고 있다. 마찬가지로 최초의 상업용 LED 또한 SiC 기반이었으며, 노란색과 파란색 LED 제작에 필요한 소재로 유명해졌다. 하지만 제조상의 어려움으로 인해 전력전자 분야에서는 최근에 이르러서야 적용되기 시작했다.
SiC 개발에서 가장 큰 걸림돌은 결정 결함을 제거하는 것이었다. 가장자리형 이탈, 나사형 이탈, 삼각형 결함, 기초면 이탈은 초기에 SiC 결정으로 만든 디바이스에서 역 차단 성능을 저하시켰다. 결정 품질을 제외하고도 이산화규소(SiO2)와 SiC의 인터페이스 문제는 SiC 기반 전력 모스펫(MOSFET)과 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터 개발을 방해했다.
아직 제대로 입증되지 않은 질화물만이 인터페이스 문제를 일으키는 결함을 극적으로 줄였다. 이는 2008년부터 JFET, MOSFET, 그리고 쇼트키 다이오드의 발전을 위한 밑거름이 됐다. 반도체 소재로서 SiC는 속도, 고온, 고전압에 있어 지닌 장점이 크다.
바로 이 SiC가 혹독한 자동차 환경에 필요한 소재다. 전기자동차는 최대 100kWh 용량의 배터리를 사용하며, 충전 시간을 최소한으로 줄이는 것이 숙원 과제다. 공공충전소를 사용해 EV를 충전하려면 화석 연료 차량에 연료를 보급하는 것보다 시간이 더 오래 걸린다. 자동차의 충전 속도는 충전소에서 제공하는 충전 속도, 충전하는 자동차의 용량에 따라 달라진다. 고속 충전이 가능한 자동차를 충전할 경우 15분 안에 차량의 배터리를 80%까지 충전할 수 있다. 반면 충전 속도가 느린 자동차를 완속 충전소에서 충전할 경우 배터리를 80%까지 충전하려면 1시간 이상이 걸릴 수도 있다. 휴대전화 충전과 마찬가지로 배터리에 손상을 일으키지 않으면서 안전하게 충전하려면 시스템이 느려지기 때문에 나머지 20%의 충전 시간은 더 오래 걸린다.
교류(AC) 충전소는 자동차의 온보드 충전 회로를 AC 공급 장치에 직접 연결한다. AC 레벨1은 120V 가정용 콘센트에 직접 연결돼 전용 회로 용량에 따라 12~16A(1.4~1.92kW)를 공급할 수 있다. AC 레벨2는 240V 가정용 또는 208V 상용 전원을 사용해 6~80A(1.4~19.2kW)를 공급한다.
직류(DC) 고속 충전의 경우 그리드 전력은 자동차 배터리에 도달하기 전에 AC/DC 인버터를 통과해 온보드 충전 회로를 우회한다. DC 레벨1은 50~1000V에서 최대 80kW를 공급한다. DC 레벨2는 50~1000V에서 최대 400kW를 공급한다. 현재 이론상으로 최대 출력이 4.5MW인 대형 상용차에 대한 표준이 개발 중이다.
다이오드, MOSFET, 드라이버는 이러한 고전력 충전 회로에 있어서 주요한 소자들이다. 스위칭 속도가 높아지고 전력 손실이 줄어든 온세미컨덕터의 와이드 밴드 갭 SiC 디바이스 제품군은 최신 솔루션의 모든 부분에 적합한 부품들을 제공한다. 갈바닉 절연 고전류 게이트 드라이버를 사용할 경우 보호 회로를 설치할 필요성도 줄어든다.
온세미컨덕터의 NCx57200은 비절연 로우사이드 게이트 드라이버 1개와 갈바닉 절연 하이사이드 또는 로우사이드 게이트 드라이버 1개를 가진 고전압 게이트 드라이버이다. 이 디바이스는 하프 브리지 구성에서 두 개의 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)를 직접 구동할 수 있다.
하이사이드 게이트 드라이버용 갈바닉 절연은 높은 dv/dt에서 최대 800V까지 작동하는 IGBT를 위한 제품이다. 고출력 애플리케이션에서 안정적인 스위칭을 보장한다. 최적화된 출력단은 IGBT 손실을 줄일 수 있는 수단을 제공한다. 이 기능에는 데드타임과 인터록이 있는 2개의 독립적인 입력, 정확한 비대칭 저전압 차단(UVLO), 단락 및 정합된 전파 지연이 포함된다. 대역폭 범위가 270kHz ~ 3MHz인 경우 일반적인 IQ 값이 17~405µA인 연산 증폭기는 충전 네트워크에서 안전한 감지 회로를 허용한다.
그렇지만 회로 보호는 여전히 필수 사항이다. AEC−Q100 인증된 NCID9211 듀얼 채널 디지털 절연기는 높은 절연 및 높은 잡음 내성을 달성한다. 또 높은 공통 모드 제거(100KV/s 최소 공통 모드 제거) 및 전력 공급 거부가 특징이다. 온세미컨덕터의 보호 및 소신호 디스크리트 제품에서 설명하는 바와 같이 퓨즈와 필터가 나머지를 처리한다.
온세미컨덕터는 앞서 언급된 결정 결함이나 게이트 산화물의 신뢰성 등 SiC와 관련된 문제를 해결하기 위해 각별한 노력을 기울여왔다. 웨이퍼 선별이나 번인 테스트와 같은 제조 공정에 추가적인 품질 관리 단계를 추가하면 SiC의 고유 결정 결함을 더욱 효과적으로 필터링할 수 있다.
또한 SiC MOSFET의 보강된 게이트 산화물은RDS(ON)이나 Vth의 드리프트 없이 동적 네거티브 게이트 바이어스를 가능하게 한다. 그 결과 EV 충전 등 가장 까다로운 애플리케이션에서 사용 가능한 안정적인 SiC 디바이스가 탄생하게 되는 것이다.
