전 세계의 많은 정부가 전기 자동차(EV) 기술을 적극적으로 홍보하고 있지만, 소비자들은 이에 대해 보편적으로 열광하지 않았습니다. EV의 대중적 수용을 제한하는 두 가지 주요 요인은 주행 범위와 비용입니다.
EV 설계 측면에서 주행 범위를 개선하는 가장 효율적인 방법은 배터리 전압을 높이는 것입니다. 현재 대부분의 EV 배터리 출력은 400V 이하입니다. 이를 800V로 높이면 동일한 전류에서 차량에 더 많은 전력을 공급할 수 있습니다. 또한 특정 전력 수준에서 시스템 효율도 향상됩니다.
EV 비용을 절감하기 위한 핵심 도구는 전력 전자공학의 효율성과 가장 중요한 전력 밀도(전체 크기에 대한 전력 효율성의 비율)를 개선하는 것입니다. 전력 전자공학의 기능은 배터리에서 공급되는 고전압 DC를 차량에 필요한 다양한 형태로 변환하는 것입니다. 여기에는 트랙션 모터(바퀴 구동)에 필요한 3상 교류(AC), 온보드 충전기 및 기타 시스템에 필요한 다양한 DC/DC 변환이 포함됩니다.
설계자의 SiC (실리콘 카바이드)를 통한 문제 해결
더 높은 배터리 전압의 사용을 제한하고 시스템 전력 밀도의 추가 개선을 방해하는 것은 무엇일까요? 문제의 상당 부분은 대부분의 전력 전자공학이 실리콘 반도체 전원 스위치를 이용하고 있다는 점입니다. 실리콘은 현재 거의 모든 전자 장비의 집적 회로에 사용되고 있지만 고전압과 고온에서는 잘 작동하지 않습니다. 이것이 바로 EV 전력 전자공학의 현재 상황입니다.
다행히도, 이러한 종류의 응용 분야에는 실리콘을 대체할 실리콘 카바이드(SiC)라고 하는 반도체 재료가 있습니다. 이 물질은 EV 전력 전자공학에서 발견되는 고전압, 고온, 고전력에서의 사용에 최적인 일련의 전자 특성을 갖추고 있습니다. EV 전력 전자공학용 SiC의 주요 속성과 이점은 표에 요약되어 있습니다.
속성 |
설명 |
혜택 |
 고온 작동 |
SiC 전력 장치는 기존의 실리콘 기반 스위치보다 훨씬 높은 작동 온도와 허용 가능한 접합 온도를 갖추고 있습니다. SiC는 또한 실리콘보다 열전도율이 상당히 우수합니다. |
따라서 냉각 구성 요소와 부피가 큰 방열판 재료가 필요 없게 됩니다. 이를 통해 차량의 크기, 중량 및 비용이 절감됩니다. |
 n 높은 전류 전달 능력: |
SiC 전력스위치는 실리콘 전력 소자부품에 비해 최대 5배 높은 수준의 전류 밀도를 감당할 수 있습니다. |
이는 칩 내의 전력 밀도를 높이고 시스템에 필요한 총 구성 요소의 수를 감소시킵니다. 이를 통해 트랙션 인버터의 크기, 비용 및 복잡성을 줄일 수 있습니다. |
 n 높은 스위칭 주파수: |
SiC 소재의 전력 소자는 실리콘 전력소자에 비해 고온, 고전압, 고출력 조건에서 훨씬 빠르게 스위칭이 이루어집니다. |
스위칭 속도가 빠르면 캐패시터나 인덕터 같은 전력 전자 시스템에 사용되는 패시브 부품의 크기와 비용이 감소하게 됩니다. |
 n 높은 전압 용량: |
SiC 스위치는 기존 실리콘 소자에 비해 최대 10배 높은 전압에서도 버틸 수 있습니다.
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이를 통해 고전압 시스템에 필요한 직렬 스위치의 수를 최소화하여 시스템 비용과 크기를 줄일 수 있습니다. 또한 차량 주행 범위 확대와 충전 시간 단축을 위해 800V 시스템으로의 EV 산업 마이그레이션을 지원하고 있습니다. |
SiC에 대한 전 세계 수요 충족
자동차 제조업체는 이미 SiC 전원 스위치의 이점을 충분히 인식하고 있습니다. 물론 마이크로일렉트로닉스 제조업체는 이러한 수요 증가에 대응하기 위해 생산 역량 향상에 힘쓰고 있습니다.
그러나 향후 EV 산업의 물량과 비용 목표에 부합하는 고품질 SiC 장치를 생산하기는 쉽지 않습니다. 실제로 수십 년에 걸친 연구개발에도 불구하고 고품질로 결함이 없는 대형 SiC 웨이퍼를 생산하는 기술을 습득한 공급업체는 전 세계에서 아직 극소수에 불과합니다.
또한 자동차 제조업체는 이상적으로 수직 통합 공급업체로부터 SiC 기반 전력 구성 요소를 구매하고자 합니다. 수직 통합 공급업체란 웨이퍼 재료의 제조부터 완제품 패키지 장치의 제조까지 모든 것을 수행하는 회사를 말합니다. 재료 기판 및 에피택시에 대한 소유권과 제어권을 가진 구성 요소 제조업체는 자동차 제조업체 또는 계층 공급업체에게 제품이 안정적으로 공급되고 일관된 품질을 유지할 것이라는 확신을 줍니다. 또한 문제가 발생하는 경우 공급망 내 공급업체 간에 문제를 특정할 필요도 없습니다.
Coherent는 수직적으로 통합된 완전한 SiC 제조 능력을 갖춘 전 세계에서 몇 안 되는 기업 중 하나입니다. Coherent는 전력 장치와 모듈을 통해 SiC 웨이퍼 및 에피택시를 생산합니다. 또한 SiC 재료를 생산할 수 있는 탁월한 품질 덕분에 Coherent는 현재 표준 웨이퍼 직경인 150mm에서 200mm까지 성공적으로 전환할 수 있는 거의 유일한 공급업체가 되었습니다. 대형 와이퍼의 이점은 장치의 비용을 크게 줄일 수 있다는 점입니다.
소비자가 EV를 수용하려면 기존 휘발유 자동차와 동일한 수준의 편의성과 경제성을 제공해야 합니다. 이를 위해서는 초기 구매 가격과 운영 비용 절감과 더불어 주행 범위 확대와 충전 시간 단축이 필요합니다. SiC의 고유한 속성에 기반한 차량용 전력 전자공학은 이러한 목표를 모두 달성하는 데 중요한 역할을 합니다. 그리고 Coherent는 SiC 장치 비용을 절감하려는 노력으로 이 기술을 통한 성공을 주도해 가고 있습니다.
