자동차 응용 분야는 여러 자동차 사용 사례와 EV(전기차) 충전과 같은 인프라를 지원하기 위해 WBG(와이드 밴드갭)를 전면에 내세우며 보다 에너지 효율적인 반도체 기술의 개발을 주도하고 있습니다.
더 큰 밴드갭은 WBG 기술을 기존 반도체 또는 "레거시 실리콘"과 크게 차별화합니다. 이 밴드갭은 가전자대 상단과 전도대 하단 간의 에너지 차이입니다. 이러한 차이는 WBG 반도체 전력 장치가 더 높은 전압, 온도 및 주파수에서 작동할 수 있도록 하며, 이는 새로운 비실리콘 재료를 사용한 덕분에 실현됩니다.
WBG PE(전력 전자 장치)는 미약하나마 도약하고 있는 PE 부문입니다. WBG PE 장치로 전기를 변환, 제어 및 처리할 수 있습니다. WBG 반도체 전력 장치는 보다 효율적인 에너지 생성, 전송 및 소비를 가능하게 하기 때문에 많은 자동차 응용 분야에 적합합니다.
간격과 재료 … 고려
실리콘과 같은 일반적인 반도체 재료의 밴드갭은 1~1.5eV(전자 볼트) 범위인 반면, WBG 반도체는 2~4eV 범위에서 밴드갭이 더 큽니다. 기본적으로 WBG 반도체는 기존 실리콘보다 높은 최대 온도에서 작동할 수 있기 때문에 밴드갭이 넓으면 더 좋으며, 이는 자동차 응용 분야에서 중요한 특성입니다.
물리학자들이 정의한 재료의 밴드갭은 전도대(전자가 뛰어오를 수 있는 밴드)의 가장 낮은 비점유 상태와 가전자대(에너지를 받으면 전자가 뛰어오를 수 있는 전자 궤도 밴드)의 가장 높은 점유 상태 간의 에너지 차이입니다. 전자가 가전자대에서 전도대로 이동하는 데 필요한 에너지는 이 밴드갭에 의해 결정됩니다.
차이 외에도 WBG 반도체에 사용되는 재료는 기존 반도체와 차별화되는 요인입니다. 가장 일반적인 것은 질화 갈륨(GaN) 및 탄화 규소(SiC)입니다. 이러한 기술 시장은 2032년까지 690만 달러를 넘어설 것으로 예상됩니다.
GaN의 밴드갭은 3.2eV인 반면 SiC의 밴드갭은 3.4eV로, 실리콘보다 약 3배가 더 큽니다. GaN과 SiC는 밴드갭이 더 크기 때문에 기존 실리콘보다 더 높은 전압과 더 높은 주파수를 지원하지만 서로 다릅니다. 이러한 요소는 작동 방식과 자동차 응용 분야를 포함한 사용 사례에 영향을 미칩니다.
GaN과 SiC의 가장 눈에 띄는 차이점은 반도체 재료를 통해 전자가 얼마나 빨리 이동할 수 있는지에 따라 정의되는 속도입니다. GaN의 "전자 이동성"은 실리콘보다 30% 더 빠른 2,000cm2/V인 반면, SiC의 전자 이동성은 650cm2/V입니다. GaN의 높은 전자 이동성은 고성능, 고주파 용도에 더 적합한 반면, SiC의 높은 열 도전율 및 저주파 작동은 고출력 용도에 더 적합합니다.
이러한 차이점으로 인해 GaN 반도체는 기가헤르츠 범위에서 전환되는 RF 장치에 적합하며 SiC는 EV 및 데이터 센터, 일부 태양광 발전 설계, 철도 트랙션, 풍력 터빈, 그리드 분포 및 산업 및 의료 영상에 사용되고 더 높은 전압과 더 나은 열 발산을 요구합니다.
점점 더 많은 기존 및 새로운 응용 분야에서 주요 실리콘 기술이 성능 한계에 도달하기 때문에 GaN과 SiC 모두 자동차 응용 분야에 사용되면 몇 가지 이점을 얻을 수 있습니다.
자동차 열을 흡수할 수 있는 WBG
WBG 반도체의 전반적인 장점은 더 높은 전기장을 견딜 수 있고, 높은 전압을 유지하며, 더 높은 전환 주파수에서 작동하여 성능을 향상시킬 수 있다는 점입니다. 또한 기존 실리콘보다 높은 최대 온도를 처리합니다.
WBG 기술은 스위치가 더 빠르기 때문에 더 작을 수도 있습니다. 에너지가 더 작은 패킷으로 전달되므로 회로의 수동 장치 및 유도 장치에 더 적은 에너지를 저장해야 합니다. 특히 고출력과 향상된 에너지 효율이 지원되는 자동차에는 소형화가 적합합니다. 자동차의 무게가 감소하므로 탄소 배출을 줄이면서 연비에 좋습니다. GaN과 SiC는 자동차 내부뿐만 아니라 EV 충전 인프라에 대한 많은 애플리케이션이 있기 때문에 EV의 경우 특히 그렇습니다.
GaN은 더 작고 효율적이며 저렴한 전력 시스템이 가능하기 때문에 차량 전기화의 몇 가지 주요 측면인 가벼운 소형 배터리, 향상된 충전 성능 및 더 큰 EV 범위를 지원합니다. GaN은 무선 전력 애플리케이션과 자율 주행 차량 기능도 지원합니다.
EV 충전 인프라의 중요한 요소는 온보드 충전기(OBC)입니다. 모든 EV에는 OBC가 필요하며, 벽 콘센트의 AC 전원을 배터리를 충전하는 DC 전원으로 변환할 수 있어야 합니다. GaN 기반의 트랜지스터는 OBC를 더 작고 가볍게 만들어 주며, 이를 통해 차량의 전체 중량을 줄이고 주행 거리를 확장합니다. GaN 트랜지스터는 배터리에서 DC를 AC로 변환하고 에너지 효율을 높여 주행 거리를 늘리는 트랙션 인버터로도 사용됩니다.
한편, EV 채택을 지원하기 위해 필요한 충전 인프라는 베어 다이, 이산 쇼트키 다이오드 및 MOSFET, 전력 모듈과 같은 SiC 기반의 전력 제품을 통해 SiC 기술의 도움을 받고 있습니다. SiC는 전력 변환 기능이 향상되고 전환 속도가 빠르며 열 성능이 향상되어 EV 고속 충전 인프라에 이상적입니다. GaN과 마찬가지로 SiC는 기존 실리콘 옵션보다 더 작고 가벼운 장치를 허용합니다.
EV 고속 충전 인프라에 필요한 시스템 장치 수준에서 EV 범위, 안정성 및 악조건 작동성에 대한 우려를 잠재우기 위해 필요한 급속 충전 인프라를 구축하는 데 SiC 기술이 중요한 역할을 합니다. 보다 가볍고 출력 밀도가 높은 배터리 채택을 통해 EV의 범위가 늘어나면서, OBC는 급속 충전 EV 인프라 내에서 스마트 그리드 애플리케이션과 전자 상거래 기능도 지원할 수 있는 SiC 기반 솔루션을 통해 양방향으로 변하고 있습니다.
GaN 및 SiC 기술은 소규모이고 경량이며 에너지 효율성이 높기 때문에 이 기술이 지원되는 자동차 설계에서도 유연성이 중요합니다. EV를 제대로 활용하려면, 지원되는 충전 인프라가 EV 운전자뿐만 아니라 시스템 설계자가 충족해야 하는 충전소에 대한 요건을 모두 갖춘 지자체 및 기업 소유자 등 많은 다양한 유형의 차량과 이해 관계자를 수용해야 합니다.
WBG 반도체는 무정전 전력 공급 및 대체 에너지의 다른 응용 분야뿐만 아니라 자동차 응용 분야의 전력 문제를 해결할 수 있는 많은 잠재력을 가지고 있습니다. 자세한 내용은 이 전자책을 참조하십시오. 환경 인식과 전력 수요가 늘어나면서 규모가 작아지고 에너지 효율을 높이며 전체 소비가 줄어들기 때문에 WBG 기술이 적합한 선택이 되고 있으며, 이러한 장점은 자동차 분야에 매우 중요한 요소입니다.
