SiC MOSFET, 고전압·고전류 환경에 사용 가능해 채택률 증가
SiC 전력반도체, EV 인버터, OBC, DC/DC 컨버터 등에 사용
SiC 전력반도체 채택률 현재 30%→2025년 60% 성장 전망
SiC 전력반도체 시장을 키우는 건 전기차다. 전기차 보급이 빠르게 늘고, 고전압과 고속충전 기능에 대한 수요가 커지면서 SiC에 대한 관심도가 높아지고 있다. SiC 전력반도체 1위 기업 울프스피드는 대규모 투자를 지속하는 상황이다. ST마이크로일렉트로닉스(ST), 인피니언, 온세미, 로옴 등 주요 SiC 전력 반도체 기업들의 생산캐파 확장에 나서고 있다.
자동차업계가 SiC 전력반도체에 주목하는 건 성능 때문이다. 스위칭 속도, 배터리 시스템 변화, 실리콘(Si) 전력반도체 대비 높은 효율성 등 장점이 많다. 이에 힘입어 Si 금속산화물 반도체(MOSFET)와 IGBT(절연 게이트 양극성 트랜지스터)는 SiC MOSFET으로 점점 대체될 것으로 전망된다.
◆ 전기차에 쓰이는 전력반도체는?
전기차에 탑재되는 대표적인 전력반도체는 MOSFET과 IGBT 등이 있다. MOSFET은 1962년 개발된 반도체로 전기적으로 격리된 절연체로 구성된다. 빠른 스위칭 속도와 저전력, 고주파가 필요한 응용처에 적합해 다양한 전력 제품에 사용 가능하다. 다만, Si로 제작했을 때 고전압에서 사용이 어려워 최근 전기차 등에선 SiC MOSFET가 더 많이 쓰이는 추세다.
IGBT는 저전력에서 빠른 스위칭 속도를 구현하는 MOSFET과 양극성 트랜지스터(BJT)를 결합한 반도체다. 600V 이상의 고전압, 고전류 환경에서 사용 가능해 전기차 및 산업용 전력반도체로 사용된다. 최근 테슬라가 비용 절감을 위해 SiC MOSFET을 줄인다고 선언하면서 대체재로 각광받고 있는 반도체이기도 하다. 다만, MOSFET에 비해 스위칭 속도가 느리다는 단점이 있다.
최근 비용 등의 문제로 SiC 반도체 탑재 감축을 선언한 테슬라지만, 역설적이게도, SiC 전력반도체를 전기차에 가장 먼저 도입한 기업은 테슬라다. 테슬라는 2018년 ‘모델3’ 인버터에 ST의 SiC MOSFET 모듈 24개를 탑재해 인버터 부피 및 무게를 줄이고 에너지 효율을 높였다.
테슬라가 SiC MOSFET을 도입해 제작한 인버터의 무게는 4.8kg 가량이다. 비슷한 시기 출시된 닛산의 전기차 리프 인버터(11.15kg) 대비 절반 수준이다. 이후, 대부분 완성차 업체들이 SiC 전력반도체를 도입했다. 인버터뿐 아니라 DC/DC 컨버터, 온보드 차저(OBC) 등에도 SiC 전력반도체 채택률이 증가하고 있다. 업계에서는 SiC 전력반도체 채택률이 현재 30%에서 2025년 60% 수준까지 증가할 것으로 전망하고 있다.
◆ SiC 전력반도체가 쓰이는 전기차 주요 부품은?
완성차 업체들이 SiC 전력반도체 채택을 늘리고 있는 이유는 크게 세 가지다.
첫 번째 이유는 SiC MOSFET의 구조적 특성이다. Si IGBT 대비 스위칭 손실이 적고, 스위칭 속도가 빠르다는 장점이 있다. 두 번째 이유는 전기차 배터리의 시스템 변화다. 최근 현대차, 기아, 포르쉐 등 완성차 업체들은 충전 속도 개선 등을 위해 800V 시스템을 도입하고 있다. 800V 시스템에서 Si 전력반도체를 적용할 경우, 성능 저하 등의 문제가 발생한다. 마지막으로 SiC 반도체 채택을 통해 에너지 효율 극대화가 가능하다.
SiC 전력반도체가 활용되는 전기차 부품은 메인 인버터, OBC, DC/DC컨버터 등이 있다. 메인 인버터는 배터리팩에서 공급되는 직류(DC) 전류를 교류(AC)로 변환시켜 모터의 속도를 제어하는 장치다. 전기차의 가속과 감속을 담당하는 부품이기 때문에 SiC MOSFET의 빠른 스위칭 속도가 필수적이다.
OBC는 완속 충전을 하거나 휴대용 충전기로 가정용 플러그에 꽂아서 충전할 경우, 차량에 입력된 AC를 DC로 변환하는 AC/DC 컨버터다.
DC/DC 컨버터에도 SiC 전력반도체가 적용이 늘어나고 있다. DC/DC 컨버터는 배터리의 고전압을 저전압(12V)으로 변환해 전장시스템 전력을 공급하는 장치다. 배터리는 높은 전압을 사용하지만, 자동차 전장시스템은 낮은 전압을 사용하기 때문에 전압 변환이 필수적이다.
디일렉=노태민 기자 [email protected]
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