MOSFET와 IGBT: 모터 구동 제어 장치의 미래
전기기계식 장치 스위치, 솔레노이드, 인코더, 제너레이터, 전기 모터는 디지털의 세계를 우리가 접하는 현실 세계와 연결해주는 기본적인 가교 역할을 합니다. 이 모든 장치들이 갖고 있는 마법 같은 힘은 전기 신호를 기계적인 작동으로 변환해주는 능력입니다.
생산 자동화, 전기차, 첨단 건축 시스템, 스마트 가전 등의 산업이 발전함에 따라 이러한 전기기계식 장치들의 제어, 효율, 성능에 대한 요구도 커져가고 있습니다. 이 기사에서는 탄화규소 MOSFET(SiC MOSFET)의 혁신이 과거부터 전력 역변환을 위해 IGBT(Si IGBT)를 사용해왔던 전기 모터의 성능을 어떻게 재정의하고 있는지 살펴봅니다. 이 같은 혁신은 전기 모터의 활용 범위를 거의 모든 산업으로 확대해줍니다.
Si IGBT와 SiC MOSFET란 무엇인가?
Si IGBT는 Silicon-Insulated-Gate Bipolar Transistors(실리콘 절연 게이트 양극성 트랜지스터)의 약어입니다. SiC MOSFET는 Silicon Carbide Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor(탄화규소 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터)의 약어입니다.
Si IGBT는 트랜지스터의 게이트 단자에 인가되는 전류에 의해 온/오프되는 전류 제어 장치이고, MOSFET는 게이트 단자에 인가되는 전압에 의해 제어됩니다.
Si IGBT와 SiC MOSFET의 기본적인 차이점은 어떤 유형의 전류를 다룰 수 있느냐입니다. 일반적으로 MOSFET는 고주파 전환 분야에 적합하고, IGBT는 고전력 분야에 더 적합합니다.
IGBT와 탄화규소 MOSFET가 모터 구동 분야에 필수인 이유
전기 모터는 오늘날 여러 분야의 기술에 두루두루 사용되고 있고 그 동력원으로 배터리 시스템을 이용하기도 합니다. 예를 들어, 전기차는 차량에 DC 전원을 공급해주는 커다란 배터리 어레이 시스템을 이용하여 AC 전기 모터를 통해 물리적인 운동을 생성합니다. 자동차의 성능과 효율은 물론, 그 안에 탄 사람의 안전을 위해 이 AC 모터를 완벽하게 제어하는 것이 매우 중요합니다. 그러나 이 자동차 구동 장치 시스템은 배터리의 DC 전력을 모터가 운동을 생성하는 데 사용할 수 있는 AC 신호로 변환하기 위해 인버터를 사용합니다.
이 인버터는 모터의 속도, 토크, 힘, 그리고 효율을 정밀하게 제어하며 회생 제동을 가능하게 해줍니다. 결국, 인버터는 구동 장치 시스템에서 모터 만큼이나 중요합니다. 전력을 이용하는 모든 장치가 그렇듯이, 인버터는 그 성능 및 설계 요건이 매우 다양할 수 있으며 DC 전력-AC 모터 시스템의 전반적인 시스템 성능을 위해 필수적인 요소입니다.
오늘날의 DC-AC 모터 구동 분야에 사용되는 인버터에는 두 가지 유형, 즉 실리콘 IGBT와 탄화규소 MOSFET가 있습니다. 예전부터 Si IGBT가 가장 널리 사용되고 있지만 SiC MOSFET가 성능상의 이점이 많고 비용이 점점 감소하고 있다는 점에서 그 인기가 커져오고 있습니다. SiC MOSFET은 처음 시장에 나왔을 당시에 대부분의 모터 구동 분야에서 발생하는 비용이 터무니 없이 많았습니다. 하지만 이 우수한 기술에 대한 채택율이 증가하면서 규모의 생산을 통해 SiC MOSFET의 비용이 급격히 감소하였습니다.
SiC MOSFET와 비교 시 Si IGBT의 장점과 단점
Si IGBT는 전류 처리 성능이 우수하고 전환 속도가 빠르며 비용이 적어서 예전부터 DC-AC 모터 구동 분야에 활용되고 있습니다. 무엇보다 Si IGBT는 전압 정격이 높고 전압 강하와 컨덕턴스 손실, 그리고 열 임피던스가 낮아서 생산 시스템 같은 고전력 모터 구동 분야에 널리 사용되고 있습니다. 하지만 Si IGBT의 한 가지 커다란 단점은 열 폭주에 매우 취약하다는 점입니다. 열 폭주는 기기의 온도가 제어가 불가능할 정도로 상승하는 것으로, 이 현상이 나타나면 기기에 오작동이 발생하고 결국에는 기기가 고장 나게 됩니다. 전기차나 제조와 같이 고전류, 고전압 및 높은 작동 조건이 흔한 모터 구동 분야에서는 열 폭주가 커다란 설계 리스크가 될 수 있습니다.
이 같은 설계 문제를 해결하기 위해 개발된 SiC MOSFET는 열 폭주에 대한 내성이 더 좋습니다. 탄화규소(Silicon carbide)는 열 도전율이 더 높아서 기기 자체에서 열 방산이 더 잘 되고 작동 온도가 안정적입니다. SiC MOSFET는 자동차나 제조 분야처럼 주위 온도가 더 높은 공간에 더 적합합니다. 또, 열 도전율이 높으므로 SiC MOSFET는 냉각 시스템을 추가할 필요가 없으며 전체적인 시스템 크기와 시스템 비용을 절약할 수 있을 것입니다.
SiC MOSFET는 Si IGBT에 비해 전환 주파수가 훨씬 더 높기 때문에 정확한 모터 제어가 반드시 필요한 분야에 매우 이상적입니다. 로봇 팔(tool arm) 제어, 정밀 용접, 그리고 정확한 물체 배치를 위해 고정밀 서보 모터를 사용하는 생산 자동화 분야에서는 높은 전환 주파수가 매우 중요합니다.
또한, SiC MOSFET이 Si IGBT 모터 구동 시스템에 비해 특히 더 좋은 점은 모터 어셈블리 안에 내장할 수 있어서 모터와 동일한 하우징 안에 모터 컨트롤러와 인버터를 통합할 수 있다는 것입니다.
모터 드라이버 어셈블리를 모터가 있는 위치로 이동시킴으로써, 구동 인버터와 모터 드라이버 간의 케이블이 크게 줄어서 비용을 크게 절약할 수 있습니다. 그림 B의 예를 보면 기존 방식의 Si IGBT 전력 제어함에는 로봇 팔의 7개 모터('M'으로 표시)에 전원을 공급하기 위해 21개의 케이블이 필요할 것이며, 이 경우 수백 미터에 달하는 비싸고 복잡한 케이블 인프라가 소요될 것입니다. SiC MOSFET 모터 구동 시스템을 사용할 경우, 케이블 수를 긴 케이블 두 개로 줄여서 로컬 모터 어셈블리 안에 있는 모터의 모터 드라이브 두 개에 연결할 수 있습니다.
그림 2: 실리콘 IGBT와 탄화규소 MOSFET 시스템의 로봇 팔 제어 비교.
Si IGBT과 비교 시 SiC MOSFET의 단점
그러나 Si IGBT와 비교했을 때 SiC MOSFET에도 단점은 있습니다. 첫째, SiC MOSFET는 여전히 Si IGBT보다 비싸기 때문에 비용에 민감한 분야에는 적합성이 떨어질 수 있습니다. SiC MOSFET 자체는 더 비싸지만 일부 분야에서는 모터 드라이버 시스템 전반에서 비용이 줄어들 수 있으며(배선, 수동 구성부품, 열관리 등이 줄어듦) Si IGBT 시스템과 비교했을 때 전반적으로 더 저렴할 수 있습니다. 이 같은 비용 절감 요소들은 두 응용 시스템 간에 관련 설계 및 비용 연구 분석이 필요할 테지만 효율 증가와 비용 절감으로 이어질 수 있을 것입니다.
SiC MOSFET의 또 다른 단점은 게이트 드라이브의 요구 사항이 더 복잡할 수가 있어서 시스템 내 다른 구성품들로 인해 게이트 드라이브 리소스가 제한될 수 있는 분야의 경우에는 IGBT가 더 나을 수 있다는 점입니다.
탄화규소 MOSFET로 향상된 인버터 기술
탄화규소 MOSFET는 모터 구동 시스템을 위한 인버터 기술을 급격히 발전시켰습니다. 다른 모든 구성 부품들이 그렇듯이, 아직도 IGBT를 사용하는 것이 더 적합한 분야가 일부 있습니다. 하지만 SiC MOSFET 인버터는 Si IGBT에 비해 뚜렷하게 더 나은 점이 몇 가지 있다는 점에서 모터 구동 분야와 그 밖의 다양한 분야에서 아주 매력적인 솔루션이 됩니다.
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