기후 변화로 인해 산업계는 대체 에너지 솔루션을 생각할 수 밖에 없었습니다. 태양광과 풍력 발전 같은 혁신 기술이 전통적인 연료 기반 설비를 대체하는 속도가 빨라지고 있으며, 에너지 저장과 수집 방식 덕분에 절감되는 비용이 고가의 가스 “피커(peaker)” 설비를 능가했습니다.
상대적으로 최신인 이러한 기술은 정부의 정책과 인센티브를 통해 지원을 받기 때문에 공공 에너지 인프라와 관련 그리드 구조가 개선되고 성장할 기회가 많습니다.
주요 개선 현황
그 동안 기존 그리드 구조는 전력이 일방향으로 공급되고 화석 연료, 수력 발전, 원자력 발전 등으로 에너지 발전이 제한되었습니다. 최근에 재생 가능 에너지와 수집 기술이 발전하면서 기존 그리드의 발전원(풍력과 태양광)을 확장할 수 있게 되었으며, 양방향 배전을 통해 수요 변동과 저장 방식에 유연하게 맞출 수 있습니다.
특히 태양광 에너지 설비에는 태양광(PV) 모듈로 생성하는 DC 전압을 AC 전압으로 변환해 그리드로 다시 보내야 하기 때문에 인버터가 있어야 합니다. 이때 스트링 인버터 방식이 많이 사용됩니다. 이 방식에서는 일련의 태양열 패널에서 생성되는 DC 전압이 DC/DC 부스트 단계를 거쳐 DC/AC 인버터로 공급된 다음 그리드에 연결됩니다.
그림 1은 게이트 구동, 감지, 처리로 구성되는 전형적인 태양광 스트링 인버터 블록 다이어그램입니다. 이 구성의 전력 공급에는 일반적으로 IGBT, 고전압 FET 그리고 일체형 IGBT와 다이오드가 있는 파워 집적 모듈(PIM)이 사용됩니다.
고전력 수요가 비슷하면서 환경을 생각하는 또 다른 부문이 전기차(EV) 충전입니다. EV의 인기는 폭발적으로 증가하고 있는데 아쉽게도 그 충전 스테이션은 이를 따라오지 못하고 있습니다. EV 충전 인프라는 가용성의 측면에서 소비자가 주행 가능 거리를 염려하지 않고 필요할 때 바로 연료를 채울 수 있는 주유소에 크게 미치지 못합니다. 350 kW의 전력 수준으로 작동하는 DC 고속 충전 시스템(AC 기반 충전 시스템보다 빠르다는 점에서)은 차량을 완전히 충전하는 데 10분이 걸리지 않는 것으로 확인되었습니다.
그림 2는 전력 경로 구성품과 관련 처리 장치 및 주변 장치가 있는 전형적인 DC 고속 충전 블록 다이어그램입니다.
탄화규소(SiC) 기반 구성품은 전력망과 EV 충전 스테이션 같은 공공 에너지 인프라에 더 잘 맞는 전력 공급 솔루션이 될 수 있습니다. 이러한 솔루션은 전도 손실, 누설 전류, 열관리, 수요 급증 수용력, 전력 밀도가 우수하다는 점에서 인프라를 개선할 수도 있습니다. 그리고 SiC 기반 기술은 신뢰성이 더 좋고 전체 점유 공간이 더 작아 전반적인 효율도 개선할 수 있습니다. onsemi 같은 산업 선도업체는 다양한 SiC 장치를 제공합니다. 따라서 이러한 장치와 그 일부 용도를 자세히 살펴보겠습니다.
SiC 기술 — 더 나은 솔루션
적용 분야가 태양광이든, EV 충전이든, 서버 팜이든 SiC 기술은 실리콘 IGBT/MOSFET 같은 일반적인 실리콘 구성품과 모듈보다 성능에서 앞설 수 있습니다. 그렇지만 여기서는 모든 설계자가 제일 먼저 생각하는 주제인 효율성부터 살펴보겠습니다.
SiC로 어떻게 효율성을 높일 수 있을까요? 여러 요인이 관여하겠지만, 실리콘 MOSFET과 비교할 때 SiC의 주요 이점은 작동 온도와 주파수(1 MHz)가 더 높지만 전도 손실(Vf)은 더 낮다는 점, 최대 전압과 전류 정격도 더 높아(드레인 소스 전압 최대 1,800 V, 전류 용량 최대 100 A) 전력 효율이 더 좋고 냉각 요구량은 더 적다는 점입니다.
그림 3을 보면 SiC 기술이 고전압 및 고전류 부문에서 최고 수준의 전체 전력 용량을 제공하는 것을 확인할 수 있습니다.
이러한 SiC 장치의 온저항이 더 낮고 전력 용량이 훨씬 더 크다는 점을 고려할 때 SiC 기반 솔루션으로 작동 효율을 높일 수 있습니다.
그림 4는 SiC 기반 다이오드와 MOSFET을 동시에 사용할 때 전도 손실이 73%나 감소하여 5 kW 부스트 컨버터의 전력 효율을 높일 수 있다는 것을 보여줍니다.
SiC 기반 회로는 관련 인덕터와 커패시터의 크기가 작아도 되기 때문에 점유 공간이 훨씬 더 작습니다. 실제로 작동 전력이 동일한 실리콘 기반 회로와 비교했을 때 전환 주파수가 더 높아 크기가 75%나 더 작은 경우가 있습니다. 이 때문에 전력 밀도가 더 높습니다. 그리고 SiC MOSFET은 일반적인 실리콘 MOSFET보다 가격이 4배 더 비싸지만 이렇게 인덕터와 커패시터 크기가 더 작아 전체 시스템 비용은 내려갑니다.
조립과 기계식 통합과 관련하여 onsemi의 PIM(SiC 구성품을 통합해 전체 구성품 수를 줄여주는 Q0/Q1/Q2PACK 모듈)은 제조 공정을 간소화하고 개발 위험 부담을 낮춰주어 출시 기간을 단축할 수 있는 것으로 확인되었습니다.
그리고 일반적으로 통합되지 않는 비통합 솔루션은 단열 패드와 방열판 같은 열관리 구성품을 조립하는 데 시간이 더 많이 소요되고, 열 접촉 불량에 따른 위험 부담도 더 큽니다. PIM 솔루션은 조립 공정이 훨씬 더 간편하여 조립 시간/비용이 더 적게 들고 신뢰성이 더 좋으며, 전력 밀도의 이점 때문에 더 콤팩트한 최종 제품을 구현할 수 있습니다.
그림 5는 이산형 솔루션과 PIM 모듈의 조립 공정을 비교한 것입니다.
onsemi의 전력 솔루션을 최신 SiC 응용 부문에 적용
onsemi의 PIM 모듈은 전환 속도가 더 빠르고 전력 효율과 전력 밀도가 더 높아, 이러한 솔루션으로 시스템 비용을 낮추고 크기를 줄일 수 있습니다. 그런데 이것이 다가 아닙니다. PIM 모듈이 항상 이산형 구성품보다 선호되는 것은 아닙니다. 일반적으로 해당 용도의 전력 정격에 성능과 비용을 고려하여 설계가 결정되기 때문입니다. onsemi는 이산형 솔루션과 PIM SiC 솔루션 모두 제공합니다.
그림 6은 이산형 또는 PIM 솔루션을 선택하는 방법을 보여줍니다.
UPS, 모터 구동 또는 PV 인버터와 같은 애플리케이션에서 사용되는 고전압 보조 전력 공급은 DC 링크 전압이 300V DC에서 1,000V DC 범위이기 때문에 디스플레이, 팬 또는 히터용 저전력 보조 PSU를 통합하기가 어렵습니다. 그러나 SiC MOSFET은 훨씬 더 높은 차단 전압과 더 넓은 입력 전압 범위로 작동하기 때문에 시스템 유연성과 성능을 높일 수 있습니다. 그리고 SiC 이점 부분에서 말했듯이 주파수가 더 높고 온저항이 더 낮아 크기는 훨씬 더 작고 출력은 더 높은 솔루션을 구현할 수 있습니다. 75 kHz에서 작동하는 ESBC 구성 공급장치와 300 kHz에서 작동하는 SiC 기반 공급장치를 직접 비교해보겠습니다. SiC 공급장치는 크기는 줄이고(약 절반), 전력 출력은 20% 높이고, 전력 효율은 훨씬 더 높일 수 있습니다.
그림 7에 나오는 크기와 효율성 비교를 참조하십시오.
onsemi는 용도별 요구에 따른 광범위한 전환 기술과 포장 유형 그리고 독립형 드라이버를 제공합니다.
그림 8에 나오는 onsemi의 전체 SiC 장치 포트폴리오를 참조하십시오.
결론
SiC 기술은 정부 지원을 받아 빠르게 성장하는 공공 에너지 인프라 산업에 사용되는 고전력 하드웨어의 전력 효율성과 시스템 신뢰성을 높이고 전체 시스템 비용과 크기를 줄여주는 많은 이점을 제공합니다.
재생 가능 에너지를 사용하는 전력망, EV 충전 스테이션, 기타 고전압/고전류 분야에서 SiC의 이점을 고려해야 합니다. Arrow.com에 올려져 있는 onsemi의 업계 선두 제품 포트폴리오에서 모든 용도에 적합한 광범위한 SiC 장치를 살펴보십시오.