울프스피드 실리콘 카바이드 에너지 효율 표준

실리콘 카바이드(SiC)는 크기, 무게 및 전력 요구 사항에 대한 새로운 효율성 기준을 타협 없이 충족할 수 있는 반도체 기술을 제공합니다.

30개 회원국과 8개 국가 협회로 구성된 국제에너지기구(International Energy Agency, IEA)의 2021년 10월 통계에 따르면, 에너지 소비 효율성 증가에 대한 노력이 재확인되었습니다. 국가 예산에서 에너지 효율과 재생 가능 에너지를 위한 예산이 지속적으로 증가하는 가운데, IEA는 에너지 효율에 할당된 예산의 비율이 1990년 7%에서 2020년 26%로 증가했다고 언급하고 있습니다.¹

새로운 발전소는 건설하는 데 5억 달러 이상과 2년에서 6년의 시간이 소요되며, 가전제품 시장의 약 7%의 연평균 성장률(CAGR)은 새로운 에너지 생산을 온라인으로 가져오는 능력을 뛰어넘습니다. 따라서 정책 결정은 글로벌 자원의 효율적인 사용에 대한 논의가 지배하게 되었습니다.

미주 지역에서는 ENERGY STAR® 및 80 PLUS® 기준이 엔지니어링과 소비자 행동에 영향을 주고 있습니다. 특히 ENERGY STAR 프로그램은 주거 및 상업용 전기차(EV) 충전기를 포함하도록 요구 사항을 확장하고 있습니다.

유럽, 중동 및 아프리카(EMEA) 지역에서는 이번 세기 동안 지구 온도 상승을 2°C 아래로 유지하자는 파리협정 목표를 달성하기 위한 긴급성이 난방, 환기 및 공조(HVAC) 시스템의 효율성 개선에 초점을 맞추도록 변화했습니다.

중국 및 동남아시아(GCSEA)는 새로운 라벨링 및 최저 에너지 효율 성능 기준을 통해 소비자 가전제품 효율성을 강조하고 있습니다. 예를 들어, 2020년 7월 1일 중국은 룸 에어컨에 대해 세계에서 가장 엄격한 에너지 효율 요건 중 하나를 시행하여 약 15% 더 효율적으로 작동하도록 요구했습니다. 중국은 이러한 가전제품의 최대 구매자이자 제조국이기 때문에 이는 상당한 에너지 절감과 탄소 배출량 감소를 가져올 수 있습니다.

효율성 요구 사항을 Wolfspeed 실리콘 카바이드로 충족

새로운 효율성 기준의 직접적인 영향은 실리콘 카바이드(SiC)가 모든 크기, 무게, 전력 요구 사항을 비현실적인 상쇄 없이 충족할 수 있는 반도체 기술로서 필요하다는 점에서 논쟁의 여지가 없는 것입니다.

SiC 기술에서 가장 큰 시장 점유율을 보유하고 있으며, 30년 이상의 전력 혁신과 17년 이상의 다이오드 및 MOSFET 생산 경험을 가진 Wolfspeed는 모터 및 스위치 모드 전원 장치(SMPS)와 같은 핵심 애플리케이션에서 설계자가 표준 요구 사항을 충족할 수 있도록 지원합니다. 이들은 다양한 산업에서 사용되며, EV 충전 인프라와 같이 가장 빠르게 성장하는 분야에서도 활용됩니다. 회사의 SiC 디바이스는 기존 실리콘(Si) 구성 요소를 훨씬 능가하며 효율성과 신뢰성에 대한 새로운 기준을 제시합니다.

IEC 모터 효율성 표준을 위한 준비 완료

전 세계 전기 소비에서 가장 큰 단일 사용처는 가전제품, 산업 시스템, 그리고 점점 더 많아지는 전기차(EV)에서 사용되는 전기 모터 구동 시스템(EMDS)입니다. 2009년에 EMDS 작동으로 인해 세계 전력 소비의 43%에서 46%가 사용되고, 6,040 메가톤(Mt)의 CO2 배출이 이루어진 것으로 추정되었습니다. 정책 및 기준의 지원이 없다면, EMDS는 2030년까지 연간 13,360 TWh의 전기를 소비하고 8,570 Mt의 CO2 배출을 초래할 수 있습니다.²

글로벌 IEC/EN 60034-30-1 표준은 이 응용 분야에서 효율성 문제를 다룹니다. IE1에서 IE4 효율 등급을 정의하고 곧 출시될 IE5 등급을 포함하여, 이 표준은 2014년에 그 범위를 확장하여 120W에서 1,000kW까지의 출력과 50V에서 1kV까지의 입력으로 작동하는 2극, 4극, 6극, 8극 모터를 포함하게 되었습니다.

대부분의 국가는 이미 IE3 최소 등급을 요구하거나 곧 요구할 예정이며, EMEA는 75~200kW 범위의 모터에 대해 2023년 7월부터 IE4를 요구합니다. 2.2kW 4극 모터를 IE2에서 IE3로 전환하는 것은 효율성을 84.3%에서 86.7%로 증가시켜 손실을 15.2% 줄이는 것을 의미합니다. IE3에서 IE4로 전환하려면 효율성이 89.5%로 증가하면서 손실을 21% 줄여야 합니다. 이러한 전환은 시스템 재설계가 필요하며, Si에서 SiC로 이동하면 이를 더 쉽게 구현할 수 있습니다.

90-kW부터 350-kW 이상의 EV 구동 인버터를 사용하는 전기차(EV)의 경우, 효율성을 높이고 크기와 무게를 줄이는 것은 차량 주행 거리를 극대화하는 데 중요한 요소입니다. Wolfspeed의 SiC 기반 설계는 재생 제동을 가능하게 하는 양방향 설계를 용이하게 하고, 손실을 80% 줄이며, 크기를 30% 감소시키는 동시에 시스템 비용을 낮춥니다. 이는 그림 2에서 보여지는 실제 주행 사례를 통해 입증됩니다.

스위치 모드 전원 공급 장치(SMPS) 효율성에 대한 새로운 표준

SMPS는 상업, 산업, 가전제품, 에너지 및 전기차(EV) 분야에서 널리 사용됩니다. 한 가지 사례로 데이터 센터는 2018년에 약 205TWh를 소비한 것으로 추정되며, 이는 전 세계 전력 소비의 1%에 해당합니다.

ENERGY STAR 효율성 요구 사항은 80 PLUS 프로그램의 Platinum 및 Titanium 인증 요구 사항과 EU의 Ecodesign in Europe (ErP) Lot 9 규정을 통해 초과 달성되며, 이러한 규정은 2026년 1월에 더욱 엄격한 업데이트가 예정되어 있습니다. Open Compute Project(OCP)의 ORV3 PSU 사양은 ORV2 및 80 PLUS Titanium보다 손실을 40% 적게 요구합니다 (그림 3).

이러한 표준은 전력 공급 설계에 새로운 요구를 제시하며, 설계자들이 사용하는 토폴로지를 신중히 평가할 것을 요구합니다. 낮은 주파수 리그에 Si 다이오드를 사용하는 SiC 기반, 준 브릿지리스 토템폴 전력 인자 보정(PFC)이 최신 80 PLUS 표준에서 98.9% 효율을 제공할 수 있는 반면, ORV3는 99.1% 효율을 제공하기 위해 모든 SiC-MOSFET을 사용하는 브릿지리스 토템폴 PFC로 선호를 옮깁니다.

Wolfspeed의 C3M™ 650 V SiC MOSFET는 이 애플리케이션에 특히 적합합니다. 2.2-kW PFC 레퍼런스 설계는 산업용, EV 충전기, 서버/통신 PSU 애플리케이션에서 80 PLUS Titanium 기준을 충족하며 98.5% 이상의 효율성과 THD 5% 미만을 달성합니다.

ENERGY STAR®가 EV 충전기를 인증합니다

미국 정부는 향후 5년 동안 최소 150 kW의 출력을 포트당 제공하고 동시에 4대의 전기차(EV)를 충전할 수 있는 500,000개의 DC 급속 충전기 인프라를 구축하기 위해 50억 달러를 승인했습니다. 한편, 전기차 충전 장비(EVSE)를 위한 ENERGY STAR 사양은 2021년 3월 31일 발효되어 최대 65-kW 충전기에 대해 최소 활성 충전 효율을 93%로 요구하며, DC 급속 충전기를 최대 350 kW로 범위를 확대했습니다. 인증된 EV 충전기는 일반적으로 대기 모드에서 약 40% 적은 에너지를 사용합니다.

상업 및 가정용 사용자 모두 ENERGY STAR 인증을 찾고 있으며, Wolfspeed의 MOSFET과 다이오드는 1%에서 2% 더 높은 효율, 동등한 시스템 비용에서 35%에서 50% 더 높은 전력 밀도, 전체 시스템 냉각 감소, 더 작고 저렴한 기계 하우징, 그리고 Si 기반 설계로는 가능하지 않았던 차량 대 그리드(V2G) 양방향 충전을 가능하게 합니다 (그림 4).

에너지 효율성을 위한 포트폴리오

비교할 수 없는 다양한 설계 요구를 충족하기 위해, Wolfspeed는 600 V에서 1700 V까지 확장되고 개발 중에는 3.3 kV 이상을 포함하는 광범위한 실리콘 카바이드 포트폴리오를 제공합니다. 또한 전력 모듈은 1 A에서 거의 1 kA까지 확장됩니다. 어떤 전력 응용 분야든, 최신 표준을 충족시키고 개발 로드맵에서 다가오는 요구를 계획하도록 돕는 Wolfspeed 실리콘 카바이드 디스크리트 제품, 작은 베이스플레이트 없는 모듈로 산업 표준에 따라 제작된 제품, 또는 최적화된 폼팩터의 고출력 모듈이 마련되어 있습니다.

출처: