전력반도체 리서치 정리

요즘 전력반도체들이 모멘텀이 좋아서 혼자 공부면서 정리한 겁니다.

저는 순도 100% 문돌이라서 틀린 내용 많을 수 있습니다.

혹시 댓글로 현직자 분들이나 전공자분들의 지적, 조언 환영합니다. 많이 배워가고 싶습니다.

1. 전력반도체의 분류

일반적으로 전력반도체라고 하면, 위와 같이 분류됨. 이걸 지금 한번에 다 알아볼 수는 없으니, 현재 전력반도체 시장에서 주목 받고 있는 트랜지스터 위주로 먼저 알아보기로 함.

2. 전력반도체가 하는 일

• 전기 에너지의 효율적 변환

  • ex) 전기차 배터리의 직류(DC)전력을 모터에서 사용하는 교류(AC)로 변환

• 전력공급을 원활하게 유지하여 안정적으로 기기에 전달

3. 전력반도체의 원리

공학과는 연이 없어서 두루뭉술하게 줏어들어온 것을 정리

전력반도체는 전력흐름을 제어하는 스위칭(Switching)동작을 기반으로 함.

스위칭이란 전류를 켜고(On) 끄는(Off) 동작을 빠르게 반복해서 원하는 양만큼 전력을 전달하는 것임

방 천장에 전등이 하나 있다고 생각해 보기로 함.

전등은 인간의 육안으로는 항상 켜져있는 것 처럼 보이지만, 사실은 엄청나게 미세하게 깜빡거리고 있음

• 위에서 말한 전류가 켜지고 꺼지는 스위칭 동작이 엄청나게 빠르게 일어나고 있다는 의미임

이 1초동안 전등을 켜고 꺼서 깜빡거리는 반복 속도를 주파수(Frequency)라고 보면 됨

주파수는 보통 헤르츠(Hz)를 사용하는데, 1초동안 이 전력이 켜졌다 → 꺼졌다 → 다시 켜지는 1사이클을 몇번 반복하냐는 의미임

이 1초 동안 1번 사이클이 돌면 1Hz인거고, 100번하면 100Hz인거임

• 스위칭 주파수가 높으면 깜빡거리는 순간이 아주 미세해서 계속 켜져 있는 것처럼 느껴질 것임

• 스위칭 주파수가 낮으면 깜빡거리는 순간이 길어져서 전등이 깜빡거리는 것이 체감될 것임

같은 원리를 뒤집어서, 한 사이클이 돌아가는데 걸리는 시간은 주기(Period)라고 함

방의 밝기는 "한 사이클 중 켜져 있는 시간의 비율", 즉 듀티 사이클(Duty Cycle)이 결정함.

• 한 사이클 동안 불을 길게 켜고 짧게 끄면 방이 밝아지는 대신 많은 전력이 소모되고, 짧게 켜고 길게 끄면 방이 어두워지는 대신 적은 전력이 소모됨.

• 즉 한사이클이 1초일 때, 그 중 0.9초 켜져 있으면 밝고, 0.1초만 켜져 있으면 어두운 것임 (당연한 이야기)

즉 주파수가 "조명이 얼마나 깜빡거리지 않고 부드럽게 켜져있냐"를 결정하고, 듀티 사이클이 "얼마나 밝은가"를 결정하는 것임.

중간 정리를 하자면,

• 스위칭(Switching) : 전력이 들어왔 꺼졌다 하는 것

• 주파수(Frequency) : 1초 동안 전력이 들어왔다 꺼졌다 다시 들어오는 한 사이클이 몇 번 일어나는가?

• 주기(Period) : 반대로 한 사이클에는 몇초가 걸리는가? (주기 = 1/주파수)

• 듀티 사이클(Duty Cycle) : 한 사이클 내에서 전력이 켜져 있는 시간의 비율

  • 1에 가까워서 높으면 밝고, 0에 가까워서 낮으면 어두움

열과 저항

문제는, 전기는 전달되는 과정에서 열이 발생한다는 것임. 전기는 에너지인데 그 전달과정에서 열이 발생한다는 것은 전력으로 온전히 전달되어야 할 에너지가 열로서 빠져나간다는 의미이고, 이는 전력손실을 의미함

가령 100W가 들어왔는데, 열로 5W만큼 빠져나가면 당연히 출력은 95W만 나옴.

들어온 전기 (100W)
    │
    ▼
[전력반도체]
    │
    ├─→ 나가는 전기 (95W)   ← 사용자가 원하는 출력
    └─→ 열 (5W)            ← 손실

그렇다면 왜 열이 발생하는가?

첫째로는 이 세상에 전기를 손실없이 100%전달하는 물질이 없기 때문임. 전기가 어떤 재질을 통과할 때 그 재질과 부딪하면서 발생하는 저항이라는 것이 있음. 내 몸이 전기면, 수영할 때 물의 저항을 받는 것을 상상하면 됨. 물이 아무리 물렁물렁하고 매끄러워도 저항이 조금씩은 생기게 되어 있는데, 전력 반도체의 소재를 아무리 좋은걸 써도 그 재질 자체에 의한 저항은 반드시 발생함.

둘째로는 전력이 꺼졌다 켜지는 스위칭 과정에서도 열이 발생함. 이 스위칭 과정에서 발생하는 손실은 당연히 주파수가 높을 수록 많이 발생할 것임. 왜? 주파수가 높으면 껐다켰다(스위칭)를 더 많이 하니까. 1회 스위칭당 발생하는 손실이 2라고 하면, 100Hz면 1초에 2×100 = 200의 전력 손실이 발생하는 것

그런데 전력손실의 계산공식은 $전력손실 = I^2×R$이기 때문에, 전력손실은 전류가 많이 흐를 수록 필연적으로 제곱으로 많이 발생함. 내 몸뚱이가 클 수록 수영을 하면 물의 저항을 많이 받는 것은 당연한 것.

한편 전력은 위 공식이 성립하기 때문에, 열은 전기를 고전압으로 전달할 수록 덜 발생하고, 저전압으로 전달할 수록 많이 발생함. 같은 양의 전력을 공급한다고 했을 때 전압을 높이면 높일 수록 전류를 조금만 공급해줘도 됨.

• 그래서 전기차 회사들이 전력 손실을 최대한 줄이기 위해 너도나도 400V에서 800V로 승압을 하려는 것임

데이터센터의 800V HVDC 아키텍처도 이러한 맥락에서 등장함. 전압을 800V로 높임으로써 전력손실을 최소화하려는 움직임.

이 800V 승압의 과정에서 전력반도체의 종류에 대한 이야기가 필요함.

4. 전력반도체의 종류

전통적인 전력반도체는 실리콘(Si)를 기반으로 제작되었음. 일반적으로 실리콘 기반 전력 반도체라고 하면 MOSFET과 IGBT를 이야기하는데, 이 둘은 1970년대부터 50년 넘게 전력반도체의 표준이었음.

이 둘은 오늘 알아볼 트랜지스터라고 하는 놈들임. 트랜지스터란 아까 서두에서 이야기 했던 방의 전등을 끄고 켜는 버튼이라고 생각하면 됨. 조금 더 쉬운 비유로 그냥 전류를 흘렸다가 막았다가 하는 수도꼭지임

트랜지스터는 대충 다음과 같은 구조로 이루어져 있음

• Gate : 물을 막고 여는 수도꼭지

• Drain : 물(전류)이 들어오는 곳

• Source : 물(전류)이 나가는 곳

수도꼭지(Gate)에서 신호를 주면 메인 전류가 D에서 S로 흐름. 신호를 끊으면 전류가 끊김. 이게 트랜지스터의 역할의 거의 전부임.

근데 문제는 수도꼭지는 사람손으로 돌리면서 제어하지만, 전자제품 내에서는 사람이 초당 천번, 만번씩 트랜지스터를 조작해서 전기 제어신호를 줄 수가 없음. 따라서 이 불을 껐다 켰다 하라는 제어신호 역시도 전기로 줘야함. 외부에서 트랜지스터의 제어회로로 전기가 공급되면 트랜지스터가 전력을 여닫는 신호를 제어하게 됨.

이 트랜지스터의 종류 중에 가장 흔한 것은 위에서 말한 MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)임. 한국어로 풀면 "금속-산화막-반도체 전계효과 트랜지스터"라는데, 문돌이 입장에선 너무 복잡해서 그냥 그게 뭔데 씹덕아 정도로 밖에 안 느껴짐. 분석의 범위도 벗어나므로, 따라서 그냥 '자기장으로 수도꼭지를 원격으로 돌리는 놈'으로 퉁치기로 함

이 MOSFET은 전류가 거의 필요 없이도 수도꼭지를 작동시킬 수 있고 구동 회로가 단순하며, 600V 이하에서의 손실이 적어 효율이 좋은 트랜지스터였음.

근데, 위에서 알아봤듯이, 기업들은 기본적으로 승압에 대한 열망이 있음. 전류를 조금만 흘려보내도 되기 때문에 전력손실을 줄일 수 있기 때문임. 그런데 이 MOSFET은 600V를 넘어가는 고전압에 사용하기가 어려움.

왜냐하면, 트랜지스터는 OFF 상태일 때는 전압을 견디면서 전류가 흐르지 못하도록 막아야 하고, 동시에 ON 상태일 때는 전류가 잘 흐르도록 해야 하는데, 이걸 동시에 잘하는 소재를 찾기가 굉장히 어렵기 때문임. 전류를 잘 막으면서도 잘 흐르게 만드는 소재라? 듣기만 해도 어려울 것 같은 느낌이 듦.

위 트랜지스터 사진에서 전류는 Drain으로 들어와서 가운데Drift Layer라는 파이프를 통해 Source로 흐르는데, 가운데서 GATE가 문을 여닫는 구조임

근데 게이트가 닫힌(OFF) 상태일 때 높은 전압을 견디면서 회로를 막고 버티려면 이 드리프트 레이어를 두껍게 만들어야 함. 물과 똑같음. 수압이 높으려면 수도꼭지 안에 있는 차단벽도 두꺼워야 함. 그런데 내부 드리프트 레이어를 두껍게 만들수록 OFF시에 높은 전압에는 견딜 수 있지만 반대로 전류가 흐를 때 저항이 ...