전력반도체 공부 (1/3)

작년 전기차가 한창 핫하던 시절.. SiC, GaN 전력반도체에 대해서 대략적인 공부를 했다가.. 이번에 신한금투에서 전력반도체 관련 70페이지 레폿이 나와서 필자에게 필요한 부분만 별도 발췌한다.

 

 

전력반도체란 

전력반도체는 전자기기에 들어오는 전력을 다루는 역할을 수행하는 반도체다. 

역할은 크게 ① 변환 및 변압, ② 분배 및 제어로 정리할 수 있다. 

전력반도체의 핵심적인 목표는 전력 효율성 증대다. 최근 저전력으로도 제품들의 사용 시간을 늘리는 것에 대한 필요성이 높아지고 있는 상황이다. 전력을 공급하고 배분하는 과정에서 발생하는 필연적인 전력손실을 최소화 하는 것이 중요하다.  

 

분류 

전력반도체는 ① Discrete(스위치 소자)와 ② IC(집적회로)로 분류된다. 최종 완제품은 Discrete와 IC 단독 또는 모듈 형태로 탑재된다. 

 

Discrete는 on-off와 같은 단순 기능을 담당하는 범용적 부품으로, 트랜지스터와 다이오드로 구분된다. 트랜지스터 제품은 MOSFET과 IGBT가 있다. MOSFET을 대체하기 위해 만들어진 소자가 IGBT다. 

 

MOSFET은 고속 동작(스위칭)에 적합하나, 고전류ㆍ고전압 제품군에는 사용이 어렵다. 전류 밀도가 높은 IGBT는 고전류와 고전압 상황에서도 적용이 가능하다. 다만 IGBT는 MOSFET 대비 속도가 느리다는 단점이 있어, 현재 각각의 특성에 따라 주요 적용처가 나뉘어 채택되고 있다. MOSFET은 저/중전력 가전 고속스위칭 어플리케이션에, IGBT는 중/대전력 및 고전압 산업용 모터 구동 어플리케이션에 주로 사용된다.  

 

IC는 여러 Discrete 소자를 한 개의 칩 속에 집적한 부품이다. Discrete와 달리 특정 목적(통신, 제어, 신호변환 등)을 위해 쓰이는 비범용적 특성을 가지고 있다. 전력반도체 모듈(Discrete+IC) 내에서는 IC가 Discrete를 컨트롤하는 역할을 수행한다. 

 

 

 

전력반도체 Value-Chain 

전력반도체 Value-Chain은 크게 웨이퍼 공급사와 완제품 제조사로 나눌 수 있다. 현재 글로벌 전력반도체 시장에서는 웨이퍼 공급사와 완제품 제조사 모두 소수의 해외 업체들이 선도하고 있다. 기술적 난이도가 높아 후발 주자들의 시장 진입이 어려운 시장이다. 

 

웨이퍼 공급사: 

Si(실리콘) 웨이퍼 공급사는 많은 반면 차세대 전력반도체인 SiC 웨이퍼 공급사는 소수의 업체들이 존재한다. 특히 6인치 이상으로 한정하면, Cree, 투식스(Ⅱ-Ⅵ), SiCrystal, SK실트론 등 4개사만이 가능하다. Cree와 투식스 두 곳이 전체 시장의 70% 이상 점유율을 차지하고 있다.  

- SK실트론은 2019년 듀폰으로부터 SiC웨이퍼 사업 통째로 인수함

- Cree의 자회사인 wolfspeed가 SiC웨이퍼 공급

- 투식스는 2020년 GE와 SiC관련 대규모 특허 라이선스 계약 체결. - 자동차시장 집중 겨냥 예상

 

완제품 제조사: 

Infineon, Texas Instrument, On Semi, STMicro, Analog Devices 등이 대표 업체들이다. 현재 글로벌 상위 5개사가 전체 시장의 40%를 담당하고 있다. 주요 매출처는 전장용, 산업용 등이다. 향후 전기차향 공급 확대에 따른 전장부문 매출 비중 증가가 전망된다. 

 

 

 

 

전력반도체 시장, 성장할 수 밖에 없는 이유 4가지 

광범위한 전방 시장 

전력반도체의 대표적인 적용처는 모터가 탑재되는 제품이다. 모터의 회전 속도를 컨트롤하기 위해 MCU가 인버터에 명령을 전달하고, 인버터가 모터에 공급되는 전력을 제어ㆍ변환한다. 이 때 인버터에 필요한 부품이 전력반도체다. 전력반도체의 성능에 따라 모터의 전력 손실이 줄어들고, 효율적인 동력 전달이 가능하다. 

모터는 전기를 통해 동력을 발생시킨다. 생활/산업용 전기 제품들 대부분에 모터가 들어간다. 세계 전력의 약 50%가 모터를 돌리기 위해 사용될 정도로 관련 시장은 광범위하다. 미래의 대표적인 모터 제품은 로봇이 될 예정이다. 로봇청소기, 산업용 로봇 등 빠르게 시장이 확대되고 있다. 로봇은 세밀하게 움직이기 위해 모터 필요량이 갈수록 증가한다. 전력반도체도 필요량도 늘어날 수 밖에 없다. 

 

전력반도체 시장 확산 이유 - 친환경, 4차산업혁명 크게 2가지로 나눠서 볼 수 있음.

그 중 친환경에 대해서만 기록함. (전기차, 신재생에너지, ESS)

 

1) 전기차 

① 차량 내 전력 변환 장치(EPCU):

기존 내연기관차와 전기차의 차이는 동력 발생원이다. 전기차는 배터리를 통해서 전력을 공급받아 모터를 구동시키고 속도를 제어한다. 이 과정에서 배터리는 직류(DC)전기, 모터는 교류(AC)전기이므로 변환 해주는 인버터가 필요하다. 모터 구동 외에, 전장 시스템을 위해서도 전력 변환이 필요하다. 배터리는 고전압인 반면, 전장 시스템은 저전압(12V)을 사용한다. 직류-직류간 전압 변환을 해주는 컨버터가 필요하다.

 

② 내ㆍ외부 충전장치:

전기차에는 OBC(On Board Charger)가 탑재돼 있다. 완속 충전시 외부의 직류 전기가 차량 내에 내장돼 있는 OBC를 통해 교류 전기로 바뀌어 충전된다. 급속 충전시에는 외부에서 직류 전기를 교류 전기로 변환한 후 자동차 배터리에 충전하는 방식이다. OBC와 외부 전기차 충전기 모두 전력 변환을 위한 전력반도체가 탑재된다. 

 

③ V2G(Vehicle To Grid): 

향후에는 전기차가 양방향 충전에 활용될 것으로 예상된다. 움직이는 ESS로서, 남아있는 전력으로 다른 대상을 충전시키는 역할을 할 수 있다. 이 경우, 교류↔직류 양방향의 전력 변환이 필요하다.  

- 이미 실제로 아이오닉, EV6등에서도 볼 수 있음.

 

2) 신재생 에너지

현재 글로벌 신재생 에너지의 대표 방식은 태양광과 풍력이다. 각 국의 정부 주도하에 관련 투자가 진행 중 또는 진행 예정이다. 태양광과 풍력 발전설비에서도 인버터가 탑재되고, 이를 위해 전력반도체가 필요하다. 

 

① 태양광 발전설비: 

태양광 모듈과 인버터로 구성된다. 태양전지 어레이에서 출력되는 전력은 직류다. 이를 PCS(Power Conditioning System)로 불리는 인버터가 교류 전력으로 변환시킨다. 통상 인버터는 발전설비 하나당 1개로 구성된다. 

 

② 풍력 발전설비: 

풍력에서 생산되는 전력도 직류다. 인버터를 통해 교류 전력으로 변환된다. 태양광과 마찬가지로 인버터는 발전설비 하나당 1개로 구성된다. 

 

3) ESS(Energy Storage System, 에너지 저장장치) 

전력 저장에 대한 필요성이 커지고 있다. 미래의 주력 에너지원이 될 신재생 에너지는 24시간 에너지 생산이 어렵기 때문에, 사용 외에 남는 에너지를 저장하는 것이 중요하다. ESS 내에서 전력 저장(in)과 공급(out) 모두 이뤄지기 때문에, 전력 변환이 발생된다. ESS에도 PCS 인버터가 존재한다. 

 

 

※ 화합물 반도체가 대안인 이유1. 와이드밴드갭(WBG)

밴드갭이란 가전대역과 전도대역의 에너지 준위 차이를 말한다. 외부 에너지에 의해 가전대역에 있는 전자가 전도대역으로 이동할 때 전기가 흐르게 된다. 도체일수록 밴드갭이 얇아, 작은 에너지로도 쉽게 전기가 통하고 부도체일수록 밴드갭이 넓어, 전기가 통하려면 큰 에너지가 필요하다. SiC와 GaN은 Si 대비 밴드갭이 3배 넓어 고온에서도 반도체 성질이 유지될 수 있다. Si는 최대 사용온도가 175℃인 반면, SiC는 200℃ 이상에서도 사용 가능하다. 

 

 

※ 화합물 반도체가 대안인 이유2. 높은 절연파괴전계(항복전계)

절연파괴전계란 반도체 성질을 유지할 수 있는 최대 전압을 말한다. Si 대비 SiC와 GaN은 절연파괴전계가 10배 높다. 높은 전압에서도 성능을 발휘할 수 있으며, 동일 전압에서 디바이스 크기를 Si 대비 10배 축소시킬 수 있다. 

※ 화합물 반도체가 대안인 이유3. 높은 열전도도

고온에서 열이 발생하더라도 열전도도가 높아 적은 에너지로도 충분히 냉각이 가능하다. 냉각 비용 감소와 더불어 냉각 장치도 줄일 수 있어 공간 활용도도 개선된다.  

 

 

전력반도체의 2가지 축: SiC vs GaN 

Si를 대체하여 전력반도체에 사용될 화합물 반도체는 SiC와 GaN으로 압축되고 있다. 둘 다 Si 대비 우수한 특성을 가지고 있는데, 각각의 특성과 개발 상황에 따라 주요 사용처가 나뉘어 적용되고 있다. 

 

① SiC: 고전압 

Si 대비 밴드갭이 3배 넓고 절연파괴전계가 10배 높아 고전압용으로 적합하다.

현재 전기차, 철도, 에어컨, 태양광 인버터 등에서 사용되고 있으며, 향후 전기차가 핵심 적용처로 될 것으로 전망된다. (내열성 우수)

 

② GaN: 고주파 

GaN 반도체는 Si 또는 SiC, GaN에 GaN을 성장시켜 제조한다. GaN은 온-저항이 낮고 입/출력 Capacitance가 낮아 스위칭 손실을 최소화할 수 있다. 또한 스위칭 속도(동작 속도)도 빠르기 때문에 고주파 환경에서 동작이 가능하다. SiC와 마찬가지로 밴드갭이 3배 넓고 절연파괴전계가 10배 높아 고전압 환경에서도 적합하다. 다만 아직 고내압 구현에는 어려움이 있어 현재는 고주파용으로 주로 사용되고 있다.  5G RF, 무선 충전기 등에서 주로 사용되고 있으며, 향후 라이다 센서, 고속 충전 등을 중심으로 채택이 확대될 것으로 전망된다. 고속 충전은 모바일 기기 뿐만 아니라 전기차 등에서도 필수적인 역할을 할 예정이다. 

 

 

사례 분석을 통한 SiC와 GaN의 미래 주요 적용처 전망 

① 친환경차 – 테슬라 전기차의 SiC 채택 

테슬라는 2018년 모델3의 인버터에 STMicroelectronics의 SiC MOSFET 모듈24개를 처음으로 탑재했다. 기존 Si 대비 SiC를 적용했을 때, 효율은 최대 10배 증가하고 부피는 43% 감소, 무게는 6kg 감소하는 효과를 볼 수 있었다. 모델3 인버터 무게는 4.8kg으로, 출시 시기가 비슷했던 여타 전기차(닛산 리프 11.15kg / 재규어 I-Pace 8.23kg) 대비로도 확연히 차이를 보였다. SiC는 고전압에서 견디면서 열전도율이 높아 Si 대비 냉각 장치를 축소시킬 수 있다. 그래서 모듈의 소형화가 가능하다. 테슬라의 SiC 채택 이후, 현대차, BYD, Toyota, Renault, BMW 등 여타 완성차 업체들의 SiC 채택 결정이 이어지고 있다. 테슬라 내에서도 최근 출시한 모델S 플레이드 등 SiC 적용 모델이 확대되고 있다. 싢한금투는 글로벌 전기차향 SiC 시장규모를 21년 2조원 → 25년 17조원으로 연평균 +72%의 고성장을 전망한다.

향후 고전압 부분은 SiC 위주로, 나머지 부분은 기존 Si 반도체가 함께 사용될 것으로 예상된다. 

 

 

② 전기차 충전소

급속 충전은 고전압/고전류 환경이라는 것을 의미한다. 급속 충전소에는 SiC와 GaN과 같은 차세대 전력반도체가 필수적이다. 전력변환 전문 그룹인 Ingeteam은 Infineon과 함께 이동형 급속 충전소(400kW)를 설계했다. 기존 Ingeteam의 충전소는 50kW로 6~8시간의 충전 시간이 소요된 반면, 새로 설계한 400kW 충전소는 10분으로 급단축 시켰다. 해당 충전소의 DC 컨버터에는 Infineon의 SiC MOSFET 모듈 8개가 탑재됐다. SiC를 통해 전력 손실을 줄이고 냉각 장치도 줄이면서 충전소 크기도 1/3로 축소시킬 수 있었다. 현재는 SiC 위주로 적용되고 있으나, 향후 개발 진척에 따라 GaN도 함께 적용이 확대될 것으로 예상된다. 

 

 

③ 신재생 에너지(태양광/풍력) – SMA의 태양광 인버터 SiC 채택

독일의 SMA Solar Technology는 태양광 인버터에 Infineon의 SiC 모듈을 적용했다. 총 6개의 모듈이 탑재됐으며 1,200~1,500V까지 전압을 변환할 수 있도록 설계됐다. 해당 인버터는 태양 전지에서 발생한 직류(DC)를 99% 이상 효율로 교류(AC)로 변환할 수 있었으며, 변압기, 콘덴서, 히트 싱크 및 패키지 등의 크기를 줄이는 것도 가능해, 시스템 비용도 줄일 수 있었다.  

 

 

SiC & GaN 채택 확대  기반 마련됨

1) SiC 웨이퍼 가격 싸졌다.

4인치 기준 시장 초기에는 1,500만원 → 현재 50만원수준

 

2) 모듈 가격 비슷(Si=SiC) 

단일 칩으로는 가격이 Si < SiC 이지만.. 모듈로 만들고 나면 비슷할 수 있음. (SiC 모듈 장착 시 무게, 및 부피 감소, 쿨링시스템 감소 등의 효과 발생)