2022.10.17 HEV/EV 인버터와 SiC & GaN 전력 반도체
[신영증권 문용권] 전기차와 전기 비행기

EV에서는 이미 높은 스위칭 효율성을 자랑하는 SiC 반도체가 인버터 고밀도, 소형화와 전력 손실률 개선을 통해 전기차 주행거리 확장에 기여하고 있다. TESLA Model 3 인버터에 ST Microelectronics의 SiC MOSFET가 탑재되는 것으로 파악되는데 과거 TESLA CTO였던 J.B. Straubel에 따르면 인버터의 효율을 0.5% 향상하면 기존 대비 배터리 용량을 0.5% 줄이거나, 같은 배터리로 주행거리를 0.5% 늘릴 수 있다. DC/AC 변환과 주파수 제어 성능이 중요한 EV에서 높은 스위칭 효율성을 자랑하는 SiC반도체가 인버터 고밀도, 소형화와 전력 손실률 개선을 통해 EV 주행거리 확장에 기여하는 것이다.


SiC전력 반도체를 활용한 고효율, 경량화, 소형화 인버터 기술은 UAM에서도 매우 필요한 기술이며, 항공용 모터 추진체 선두 업체인 MagniX의 인버터 Magni Drive와 H3X의 인버터에도 SiC 전력 반도체가 쓰이고 있다.


항공용 전력 반도체 역시 비출력과 스위칭 속도, 이에 따른 경량화가 중요 고려 요소이다. 갈륨과 질소를 혼합한 질화갈륨을 기반으로 한 GaN반도체의 전력 효율성도 주목받고 있다. 반도체의 전도대(Conduction band)와 가전자대(Valence band)의 차이인 Band gap이 넓어지면 전력 손실이 적게 일어나 효율성이 올라가기 떄문이다.


GaN은 이러한 Band gap이 넓어 실리콘 반도체 대비 높은 주파수, 온도, 전압 환경에서 전력 손실이 낮은 것이 장점으로 평가 받고 있다. INI에 따르면 GaN 전력 반도체 소자를 인버터에 탑재하면 전체 에너지 손실을 실리콘 반도체 대비 75% 줄일 수 있다고 한다. 다만 Hendrik Schefer etal.(2020)에 따르면 2020년까지 항공용으로 GaN 전력 반도체가 쓰인 사례는 없는 것으로 파악된다. SiC 전력반도체는 구동 시 많은 열을 발생시키는데 이는 전력 반도체 디바이스의 성능을 감소시킨다. 따라서 SiC 전력반도체의 성능이 제대로 발휘되기 위해서는 그에 걸맞는 최적화된 전력모듈 패키징과 냉각 기술이 필요하다.

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