실리콘 카바이드 전력 모듈은 능동 프론트 엔드 효율성을 극대화합니다.

UPS를 설계하는 엔지니어들이 연중무휴로 원활한 기업 데이터 센터 운영을 보장하기 위해 세심히 신경을 쓰는 만큼, 이들은 또한 전원 공급 장치가 매년 미국의 전력을 90 TWh 소비할 것이라는 점 — 이는 30개의 대규모 유독성 석탄 화력 발전소를 운영할 수 있는 수준이라는 점을 인지하고 있습니다. 또 다른 설계 캠프에서는 전력 엔지니어들이 EV의 빠른 충전을 신속하게 지원하는 고속 충전기를 개발하는 데 주력하면서도, 전력 비용과 그 생산이 환경에 미치는 영향을 고려하고 있습니다.

모든 응용 분야를 목표로 하는 엔지니어들은 효율성, 전력 밀도 및 비용에 대한 우려를 공유하고 있습니다. 그리고 아직 실리콘 카바이드(SiC) 기술로 설계해보지 않았더라도, 솔루션이 SiC 기술에 있을 수 있다는 것을 인지하고 있습니다. Wolfspeed의 전문가들이 작성한 이 문서에서는 실리콘(Si) 기반 장치와 비교하여 실리콘 카바이드(SiC)가 고출력 응용 분야에서 훨씬 더 뛰어난 선택임을 입증합니다. 이 비교는 UPS와 충전 시스템의 핵심 부품인 능동 정류기(AFE)를 사용하여 크기 및 전력 밀도, 전력 손실 및 효율성, 그리고 자재 목록(BOM) 비용에서 발생하는 개선점을 탐구합니다. 따라서 이 문서는 SiC의 장점을 일반적으로 인지하고 있는 수준에서 더 명확한 이해를 제공하여, 효율성이 낮은 기존 기술에서 벗어나 SiC 기반 설계 경험을 확장할 수 있는 길을 개척하는 것을 목표로 하고 있습니다.

광범위한 과제

AFE 설계에서의 과제는 엔지니어가 바라는 변화의 희망 목록으로 널리 표현될 수 있습니다:

이 모든 문제를 동시에 해결하는 기술은 실제로 제품 경쟁력뿐만 아니라 환경에도 큰 영향을 미칠 수 있습니다.

왜 실리콘 카바이드인가?

실리콘 카바이드(Silicon Carbide)는 재료와 그로 인해 생성되는 장치 특성 덕분에 엔지니어들이 위에 나열된 항목들을 확인할 수 있도록 합니다.   기존의 실리콘(Si) 기술과 비교하여, SiC 장치는 Si보다 2-3배 낮은 온 상태 전압 강하를 제공하므로 SiC 스위치에서 전도 손실을 줄일 수 있습니다. SiC 장치는 다수 캐리어 장치이기 때문에 Si로는 불가능한 훨씬 더 높은 엣지 속도(di/dt)를 제공합니다. 또한, Si보다 10배 더 높은 항복 전계를 가지므로 SiC 장치는 동일한 패키지 내에서 더 높은 전압을 견딜 수 있습니다.   Si의 1.5 W/cmK 대비 3.3-4.5 W/cmK의 더 높은 열전도율로 인해 SiC 장치는 열을 훨씬 더 빠르게 전달할 수 있어 시스템에서 냉각 요구를 줄이는 데 도움이 됩니다. 게다가, SiC 칩은 250-300°C(대조적으로 Si는 125°C)까지의 온도를 견딜 수 있으며, Wolfspeed 장치의 접합 온도는 신뢰성에 영향을 주기 전까지 175°C에 이를 수 있습니다. 이는 장치가 더 높은 온도에서 더 작은 냉각 장치와 함께 작동할 수 있음을 의미합니다.   Wolfspeed의 SiC 전력 모듈은 Si 버전에 비해 다음과 같은 이점을 제공합니다:

AFE 토폴로지의 적용 장점

AFE는 거의 모든 그리드 연결 컨버터에 적용 가능합니다. 오늘날의 신흥 시장에서 두드러진 두 가지 주요 토폴로지는 그림 1에 나와 있습니다. 이중 변환 UPS 아키텍처는 AFE 또는 정류기, DC/DC 컨버터 및 인버터로 구성됩니다. 정상적인 전력 흐름에서는 소량의 전류가 DC/DC 컨버터로 유입되어 배터리 충전을 유지합니다. 대부분의 전력은 DC 링크를 통해 인버터로 전달되어 부하를 공급합니다. 전력 장애 시, AFE는 스위칭을 중지하고 DC/DC 컨버터는 배터리에서 인버터로 전력을 전달하여 부하에 전력을 공급합니다. 일부 애플리케이션에서는 배터리를 사용하여 부하나 전력망 측의 낮은 품질을 보정하기도 합니다.

오프 보드 DC 급속 충전기에서도 AFE는 컨버터를 그리드에 연결합니다. 그리드 전압을 안정적인 DC 링크 전압으로 정류하여 배터리를 충전하는 데 사용할 수 있습니다. 오프 보드 충전기의 토폴로지는 AFE가 DC-DC 컨버터와 직접 인터페이스하여 전기 차량을 신속하게 충전하는 방식으로 더 간단합니다. 두 가지 응용 분야에서 AFE는 각 상에 하나씩 세 개의 하프 브리지 파워 모듈을 사용합니다.

문제 정의 및 디자인 목표 설정

IGBT 기반 AFE의 주요 문제는 크기가 크고 비효율적이라는 점입니다. 이러한 장치는 높은 스위칭 손실을 가지고 있으며, 상당한 열원으로 작용하기 때문에 엔지니어들은 열 발생을 줄이기 위해 부피가 큰 냉각 시스템을 사용하거나 성능 저하를 감수해야 하는 선택을 해야 합니다. 하지만 요구 사항은 약간씩 다를 수는 있어도, 모든 고객은 난방기가 아닌 고효율 시스템에 비용을 지불하고 싶어합니다.   따라서 AFE 설계 목표는 다음과 같이 정의될 수 있습니다:

이를 바탕으로, AFE 시스템의 IGBT 및 SiC 변형은 잘 조절된 DC 버스를 통해 200kW의 고품질 정류 전력을 출력하도록 설계되었습니다.

IGBT- 대 SiC 기반 설계

IGBT 및 SiC 기반 시스템에 대해 폭넓게 소개한 후, 구성 요소 크기와 손실을 나란히 비교하며 보다 깊이 있게 분석합니다.   AFE 예제와 같은 Si 기반 고출력 설계는 일반적으로 IGBT를 사용합니다. 그림 2에서는 전력 모듈과 해당 물리적 냉각 요구 사항을 갖춘 회로도가 표시됩니다. 최고 수준의 구성 요소를 사용하기 위해 오늘날 주요 IGBT 모듈에서 선택된 EconoDUAL® 패키지의 모듈이 사용되었습니다. 구성 방식은 이러한 전력 모듈이 세 개 필요하며 — 그림에서 빨간 상자로 표시된 각각은 전력 모듈 하나, 히트싱크, 그리고 팬 두 개를 포함합니다.

시스템은 100 µH 인덕터가 필요하면서 최대 8 kHz의 주파수로 전환되도록 최적화될 수 있습니다. 주변 온도가 40°C일 때, IGBT 접합 온도(Tj)는 130°C에 도달하며, 별도 다이오드 칩의 접합 온도는 140°C에 도달합니다. 이는 스위칭 주파수를 8 kHz로 제한한 후에도 모듈당 큰 방열판과 두 개의 팬이 필요합니다.

SiC 기반 시스템은 Wolfspeed XM3 전력 모듈인 XAB400M12XM3을 사용했습니다. 이 시스템은 훨씬 더 높은 25kHz에서 스위칭할 수 있으며, 30μH 인덕터를 사용합니다. 동일한 40°C 주변 온도에서 MOSFET 접합 온도는 164°C에 도달합니다. 다시 한 번, 그림 3에서 보여지는 각 빨간 박스는 모듈과 훨씬 낮은 냉각 요구 사항을 포함합니다.

전력 모듈 비교

Wolfspeed의 XM3 전력 모듈 플랫폼은 동일한 등급의 62-mm 모듈보다 부피가 60% 적고 면적이 55% 적게 차지합니다. 유사한 등급의 EconoDUAL® IGBT 모듈과 비교했을 때, 크기, 부피뿐만 아니라 무게 감소는 훨씬 더 큽니다.

XM3 플랫폼의 주요 특징은 다음과 같습니다:

검토 중인 AFE에서, 표 1은 IGBT 전력 모듈 손실을 CAB400M12XM3과 비교합니다.

표 1: 손실 비교는 SiC가 IGBT보다 모듈당 손실을 40% 감소시킴을 보여줍니다.

표 1에 나타난 바와 같이, Wolfspeed SiC 기술을 사용하면 전체적인 설계 문제 중 첫 번째 과제를 극복할 수 있습니다. 이는 전체적인 스위칭 및 도통 손실을 줄여 나머지 넓은 과제를 해결할 수 있게 해줍니다. Wolfspeed SiC MOSFET의 고유 바디 다이오드는 역회복 전하(Qrr)가 Si의 1% 미만이라는 점에 주목하십시오. 이 문제를 어느 정도 완화하기 위한 노력으로 IGBT 모듈은 별도의 다이오드를 포함하고 있으며, 이는 별도로 추가적으로 손실에 기여합니다.

더 작고 가벼운 냉각 시스템

울프스피드의 SiC 기술로 인해 높은 MOSFET 접합 온도와 XM3의 낮은 손실은 냉각 요구 사항에 즉각적인 영향을 미칩니다.   모듈당 손실이 1.11kW인 경우, 각 EconoDUAL®은 냉각 효율을 위해 충분한 공기 흐름을 제공해야 하므로 대형 히트싱크와 각 팬에 푸셔 및 풀러 팬을 장착해야 합니다. 냉각 시스템의 부피는 모듈당 6.4L입니다.   손실이 40% 더 낮아 XM3는 동일한 결과를 얻기 위해 더 작은 히트싱크와 단 하나의 팬만 필요합니다 (@40°C). 냉각 시스템의 부피는 단 3.7L입니다.   이 냉각 시스템 부피의 42% 감소는 또 하나의 장점, 즉 AFE 시스템 열 솔루션 비용의 70% 절감과 함께 나타납니다.

수동태에 미치는 영향

스위칭 주파수를 8kHz에서 25kHz로 세 배 증가시킴으로써, SiC 기반 AFE는 더 작은 수동 소자를 필요로 합니다 (그림 6).

앞서 언급했듯이, 필요한 인덕턴스는 IGBT 설계의 100 µH에서 30 µH로 3배 낮출 수 있습니다. 이로 인해 물리적인 크기는 약 37% 감소합니다. 게다가, 인덕터에서 발생하는 I²R 손실도 약 20% 줄어듭니다.   AFE 예제에서 요구되는 전력 수준을 기준으로 보면, XM3 설계에서 코어와 구리 권선을 포함한 자성체 비용은 IGBT 기반 AFE에 비해 75% 더 저렴합니다.   증가된 스위칭 주파수 덕분에 필요한 DC 링크 커패시턴스에도 유사한 영향을 미칩니다. IGBT 변형의 경우 1800 µF가 필요하지만, SiC MOSFET 기반 설계는 550 µF 커패시턴스만 필요합니다. 그림 6에서 비교된 결과는 필요한 커패시턴스의 부피가 54% 감소한 것을 보여줍니다.

AFE 시스템 수준 비교

시스템 수준에서 SiC로 인해 가능해진 3배의 스위칭 증가량은 제어 대역폭의 3배 향상을 의미하며, 이는 곧 동적 조건에 대한 더 빠른 응답 시간으로 이어집니다. 냉각 시스템을 포함한 수동 부품들의 부하가 완화되면서, 이러한 부품들의 BOM 비용이 37% 감소하는 결과를 가져옵니다.   SiC 기반 AFE는 또한 IGBT 기반 시스템에 비해 손실이 40% 더 적습니다. 하루 24시간, 주 7일 지속적으로 운영되는 시스템의 경우, 이를 통해 연간 26MWh의 에너지 절약이 가능합니다. 환경 친화적 이점 외에도, kWh당 $0.10의 비용으로 계산하면 SiC는 연간 운영비를 $2,591 절감할 수 있습니다.   성능, 수동 BOM 비용, 운영 비용을 뛰어넘어, SiC 기반 시스템은 크기와 무게 면에서도 훨씬 더 작습니다. 이를 통해 IGBT 버전에 비해 시스템 부피가 42% 감소합니다 (도면 7).

결론

최상급 IGBT EconoDUAL®과 Wolfspeed CAB400M12XM3 SiC-MOSFET 파워 모듈을 유사한 등급의 AFE 시스템에서 나란히 비교한 결과, SiC 기술이 앞서 언급한 설계자의 소망 목록을 현실로 만들어 준다는 것이 드러났습니다. Wolfspeed의 XM3 플랫폼은 시스템 전반의 효율성을 크게 향상시키고, 전체 시스템 응답성과 성능을 높이며, 시스템 전체의 부피를 줄여 훨씬 더 높은 전력 밀도를 달성하도록 돕고, 전체 수동 BOM 비용을 절감하여 경쟁력을 높이는 데 기여합니다.