실리콘(Si) 기반 전력 전자장치는 기술적으로 성숙한 상태로 접근이 상대적으로 쉬워 전력 전자 산업에서 오랜 기간 주도적인 자리를 점하고 있습니다. 그러나 실리콘 카바이드(SiC)는 고유한 큰 이점이 최근 산업 추세와 잘 맞으면서 최근에 관심을 받게 되었습니다. 이 광역 밴드갭(WBG) 반도체는 Si보다 훨씬 더 큰 에너지 밀도를 처리할 수 있을 뿐만 아니라 열 도전율이 높아 전력 변환 효율도 우수합니다. 이러한 점은 전력을 많이 절약하고 빨리 충전해야 하는 배터리 기반 용도에서 특히 중요한 요소입니다.
이 글은 탑재형 충전기(OBC) 시스템의 설계 고려사항과 양방향 충전기에 초점을 맞추었을 때 OBC에서 SiC가 Si보다 나은 점을 다루는 두 부분으로 이루어진 시리즈 중 하나입니다. Si보다 우수한 SiC를 OBC에 구현할 때의 실제적인 이점을 Si와 SiC OBC의 참조 설계에서 비용 절감 분석과 시스템의 세부적인 장점을 비교하며 상세히 제시합니다.
SiC를 선택해야 하는 이유
SiC는 전력 공급, 태양력 변환, 기타 재생 에너지원의 전력 변환, 산업용 모터 드라이브용 인버터 등 수많은 전력 전자 부문에 이미 진출해 있습니다. 이 WBG 반도체는 임계 전기장(2.2×106V/cm), 전자 속도, 융점(300°C), 열 도전율(4.9W/cmK)이 독특하게 조화를 이루고 있어 저전력 소자에서 고전력 시스템까지 광범위한 전력 부문에서 다양하게 응용할 수 있는 독보적인 위치에 있습니다. 트랜지스터의 측면에서는 SiC로 ON 상태 저항(R(DS)on)이 낮아져 도통 손실이 줄기 때문에 고전류 용도에 적합합니다. Si 기반의 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)에 비해 소자 정전용량이 낮기 때문에 더 작은 필터, 수동 소자, 전반적으로 더 단순한 열관리 시스템을 사용할 때 높은 전환 주파수에서 전환 손실이 적습니다.
Wolfspeed는 기준 웨이퍼 개발에서 SiC 장비 설계 및 설치된 장비의 지원까지 SiC 시스템의 설계와 개발을 전문으로 합니다. 표 1에는 SiC의 이점과 더불어 Wolfspeed의 SiC 전문성을 활용할 때 얻어지는 복합적인 이점이 상세히 나옵니다.
표 1
이러한 품질 덕분에 SiC 기반 AC/DC 및 DC/DC 컨버터를 저전력에서 고전력 전기차(EV) 부문까지 사용되게 되었습니다. 통근용 자동차와 상용 트럭을 포함하는 e-바이크, 하이브리드 EV(HEV), 플러그인 하이브리드 EV(PHEV), 다양한 배터리 EV(BEV)와 같은 EV에 사용되는 OBC가 특히 더욱 그렇습니다. EV 배터리를 더 빨리 충전할 때 사용되는 3.3 kW 이상의 고전력 OBC 시스템도 그렇습니다. 충전 절차가 간소화된다는 점과 내연 기관(ICE)에 익숙한 소비자가 원하는 대로(주행 가능 거리에 대한 염려 해소) 맞출 수 있다는 것이 이 기술을 사용할 때의 이점입니다.
이런 점에서 충전 시간과 충전 후 유효 주행 가능 거리는 차량 제조사에게 중요한 매개변수입니다(배터리 크기와 정격 충전 전력에 좌우되는 두 가지 요소). 충전 전력 범위는 3.3~6.6kW의 저전력, 단상 시스템에서 11~22kW의 고전력 시스템까지 다양합니다. 그림 1은 일반적인 차량 유형, 배터리 크기, 0~100% 충전 시간, 3.3kW, 6.6kW, 11kW, 22kW OBC의 경쟁력 있는 기술을 보여줍니다.
그림 1: 일반적인 차량 유형, 배터리 크기, 0~100% 충전 시간, 6.6kW 및 22kW OBC의 경쟁력 있는 기술 비교
차량 유형의 범위는 통근용 차량 BEV부터 e-트럭과 같이 크기가 더 큰 고성능 BEV까지입니다. 그림에서처럼 충전 전력이 3배 이상이어도 용량이 더 큰 차량은 충전 시간이 0~100% 더 걸릴 수 있습니다. 이러한 점에서 OBC는 고전력 시스템에 특히 효율적입니다. 즉, 전력 낭비가 줄고 더 빨리 충전됩니다.
OBC 효율 외에도 비용, 무게, 크기 같은 매개변수도 중요합니다. OBC가 더 작고 가벼울수록 (공간의 제약이 큰) 차량에 쉽게 구현할 수 있습니다. 그리고 소비자와 OEM 모두 OBC 비용은 제조업체의 자본 지출/매출과 소비자의 접근 용이성에 직접 영향을 줍니다. 경쟁력을 유지하기 위해서는 OBC를 통해 EV가 ICE 기반 차량의 기준 소매 가격을 충족할 수 있어야 합니다.
22kW 양방향 OBC 설계: Si와 SiC 샘플 설계 비교
양방향 전력 흐름의 이점
초기 단방향 OBC 설계 부분에서 다루었듯이 양방향 충전기는 기본적으로 다이오드 손실이 없기 때문에 단방향 설계보다 효율이 더 높습니다. 단방향 DC/DC 블록은 Vienna PFC 다이오드를 사용해야 하며, 단방향 LLC 공진 변환기는 다이오드 브리지를 사용해 출력을 정류합니다. 그림 2는 단상 양방향 OBC의 전형적인 개요도입니다. 전체 브리지 정류기가 저손실 SiC MOSFET으로 바뀌어 정류기 다이오드의 순방향 전압 강하로 인한 손실을 없앴습니다. 그 결과 전력 소멸이 줄어 열관리 요구사항이 간소화됩니다.
아시아태평양(APAC) 지역은 EV용 양방향 충전에서 앞서가고 있으며, 더 높은 시스템 효율뿐만 아니라 V2H(vehicle-to-home) 발전, V2G(vehicle-to-grid) 기회, V2V(vehicle-to-vehicle) 충전 사용 사례(예: 다른 EV의 점프 시동)를 포함하는 V2 이외의 가능한 용도에도 양방향 OBC가 전반적으로 널리 사용되는 추세입니다.
그림 2: 단상 양방향 OBC의 전형적인 개요도
22-kW 양방향 OBC: Si와 SiC 비교
그림 1에도 나왔듯이 Si 초접합 기술과 Si 기반 IGBT가 사용되는 Si 기반 양방향 OBC는 SiC 양방향 OBC에 도전하는 경쟁 상대입니다. 그렇지만 이 부분에서는 SiC가 관련된 모든 측면에서(비용, 크기, 무게, 전력 밀도, 효율) 이러한 기술을 어떻게 능가하는지 설명합니다. 먼저 그림 3을 보면, 이것은 Si 및 SiC 기반 22-kW 양방향 OBC 참조 회로도인데 전력 소자와 게이트 드라이버 수가 나란히 비교되어 있습니다.
그림 3: (A) Si 기반 및 (B) SiC 기반 22-kW 양방향 OBC 회로도
표 2에는 첫 번째 AC/DC 토템폴 PFC 스테이지와 두 번째 DC/DC 양방향 CLLC 공진 스테이지의 사양이 명시되어 있습니다. 그림과 표를 보면 Si 설계에서 SiC 설계로 가면 전력 소자와 게이트 드라이버가 30% 이상 감소하며, 전환 주파수도 두 배 이상 증가하는 것을 바로 알 수 있습니다. 이런 이유에서 전력 변환 시스템의 구성요소 크기, 무게 및 비용이 감소할 때 작동 효율이 증가하는 것입니다.
표 2
22kw 양방향 OBC: Si와 SiC 비교
그림 4에 나오는 Si와 SiC 시스템의 세분화된 시스템 비용을 보면 비용 절감을 더 자세히 알 수 있습니다. Si 시스템이 SiC보다 약 20% 더 많습니다. 그 이유는 DC/DC 블록에 게이트 드라이버와 마그네틱이 상대적으로 더 많이 있기 때문입니다. 개별 SiC 기반 전력 소자가 개별 Si 기반 다이오드 및 전력 트랜지스터보다 상대적으로 더 비싸다고 할 수 있겠지만 시스템 내에서 사용될 때 SiC 소자는 그 전력 사용량을 줄일 수 있 때문에 다양한 전력 소자 기능을 지원하는 데 필요한 회로 구성요소의 비용이 절감됩니다.
비용 절감 외에도 SiC 시스템은 3 kW/L의 전력 밀도로 시스템 최대 효율을 97%까지 낼 수 있으며, Si OBC는 단 2kW/L의 전력 밀도로 95%의 효율을 달성합니다. 이러한 시스템 효율 증가는 소비자에게 연평균 에너지 추가 절감(40달러)으로 이어질 수 있습니다.
그림 4: 22-kW 양방향 OBC의 SiC와 Si 구현 시 세부 시스템 비용
표 3은 6.6-kW와 22-kW 양방향 OBC에 Si와 SiC를 구현할 때 비용, 전력 밀도, 운영 절감, CO2 기반 절감을 비교한 것입니다. OBC의 전력 스펙트럼이 커질수록 절감이 확연해집니다. 6.6-kW와 22-kW 양방향 SiC 기반 OBC는 BOM 비용이 더 낮아 궁극적으로 OEM 시스템 비용이 낮아집니다. 운영 절감과 SiC 드라이브 CO2 절감을 합치면 절감이 소비자에게까지 전해져 ICE 기반 솔루션의 가격 격차가 좁혀지며 전 세계 배출량 저감에도 기여합니다.
표 3: SiC 시스템 이점
Wolfspeed의 SiC 전문성
Wolfspeed는 SiC 구성요소와 시스템 설계 및 개발에서 30년 이상의 경험을 쌓았기 때문에 설계자가 그 다음 OBC에 가장 원하는 SiC 기반 구성요소를 사용할 수 있도록 장벽을 낮춰줍니다. Wolfspeed의 광범위한 SiC 전력 소자, SiC 시스템 조합을 선택하여 현장에서 안정적으로 작동하는 견고한 설계 토폴로지를 빠르게 개발할 수 있습니다. Wolfspeed 제품 포트폴리오에는 개별 AC/DC 및 DC/DC 스테이지와 함께 완전한 양방향 OBC가 이미 포함되어 있습니다. 이 중에는 시스템 효율이 97%인 6.6-kW 양방향 OBC와 효율 98.6%까지 달성할 수 있는 22-kW 양방향 OBC AC/DC 및 DC/DC 컨버터 블록이 포함되어 있습니다(그림 5).
그림 5: Wolfspeed의 SiC 기반 6.6-kW와 22-kW 양방향 OBC AC/DC 및 DC/DC 블록
전체 제품 포트폴리오에서 온라인 시뮬레이션 플랫폼 및 산업 전문가의 완벽한 엔지니어링 및 응용 지원까지 Wolfspeed는 SiC 시스템의 설계와 개발을 위한 포괄적 토대를 제공합니다. 이것은 OEM에서 그 다음 설계에 가장 원하는 측면을 활용하면서 비용을 절감하여 BOM 비용 절감과 효율성 설계가 고객까지 전해지는 SiC 기반 OBC에도 적용됩니다.