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글/ 마크 패트릭(Mark Patrick), 마우저 일렉트로닉스(Mouser Electronics)

지난 12개월 사이에 에너지 가격이 크게 인상됨으로써 기업과 소비자 모두 비용적 부담을 느끼게 되었다. 유럽 지역에서는 2020년과 2021년 사이에 가스 가격이 47% 상승했다[1]. 독일은 전기 생산의 1/6을 가스에 의존하고 있으며, 미국은 전기 생산의 2/5가 천연 가스를 사용해서 이루어진다. 유럽은 공간 난방과 산업용 난방이 에너지의 약 75%를 소비하고[2], 미국은 총 전기 에너지 소비에서 냉방이 10%를 차지하기 때문에[3], 좀더 효율적인 히트 펌프와 에어 컨디셔닝 솔루션을 절실히 필요로 하게 되었다.

많은 국가들이 화석 연료를 연소하는 장비를 금지하고 있기 때문에 새로 건설되는 설비에는 전기적으로 구동되는 냉난방 시스템(HVAC)을 설치해야 한다. 이 설치와 관련해서 유럽, 북미, 중국은 히트 펌프와 에어 컨디셔너에 관한 에너지 효율 표준을 제정하고 있다. 북미의 SEER과 EU의 ESEER은 계절적 에너지 효율 비율(Seasonal Energy Efficiency Ratio)을 정의한 것이다. 이 비율은 계절적 실외 온도에 따른 입력 전기 에너지 대 출력 냉방의 비(BTU/와트)이다. 예를 들어서 SEER 9에서 SEER 13 시스템으로 업그레이드하면 전력 소모를 30% 줄일 수 있다. SCOP(Seasonal Coefficient of Performance) 등급은 난방 장비에 적용되는 것이다.

기본적인 HVAC 구현

에어 컨디셔닝이 되었든 히트 펌프가 되었든 HVAC 장비는 기본적인 전기적 빌딩 블록이 동일하다. AC 소스를 사용해서 구동되고, AC-DC PFC(역률 보정) 블록을 필요로 하고, 그 다음에 DC-AC 인버터가 선택한 모터를 구동한다(그림 1). 지난 수십 년 동안에 이러한 시스템으로 실리콘 디바이스가 사용되어 왔으며, 적합한 IGBT와 MOSFET을 선택해서 전원 컨버터 모듈을 구현했다. 그런데 대부분의 전원 디자인으로 효율이 95%를 넘게 되면서 실리콘 디바이스를 사용해서 더 높은 효율을 달성할 수 있는 여지가 거의 남지 않게 되었다.

그림 1: 에어 컨디셔너와 히트 펌프의 기본적인 전기적 구현

이러한 한계를 극복하기 위해서 설계 엔지니어들이 실리콘 카바이드(SiC) 디바이스로 눈을 돌리고 있다. 이러한 와이드 밴드갭(WBG) 기술은 더 높은 효율, 스위칭 주파수, 디자인 밀도가 가능하며 전반적으로 더 우수한 성능을 달성한다. SiC로 전환하는 것은 각기 스테이지들로 점진적으로 하거나 혹은 상향식 설계 접근법을 취해서 한번에 할 수 있다.

SiC를 활용한 효율 향상

가장 먼저 변화를 줄 수 있는 스테이지는 PFC이다. 연속 전도 모드(CCM) 부스트 컨버터로 하드 정류 부스트 다이오드는 통상적으로 초고속 다이오드 타입을 사용한다. 하지만 이러한 다이오드는 역 복구 특성 때문에 전력 손실의 요인이 된다. 이것은 스위칭 주파수와 전력 밀도가 높아짐에 따라서 더 그렇다. Wolfspeed의 650V C6D 시리즈 SiC 쇼트키 다이오드[4]로 전환함으로써 이 스위칭 손실을 크게 낮출 수 있다(그림 2). 남은 손실조차도 온도나 전류에 대해서 최소한의 변동성을 나타낸다. 이러한 결과로서 4kW 컴프레서 디자인으로 5kHz로 모터를 구동한다고 했을 때 약 1.5%의 효율 향상을 거둘 수 있다. 이것은 전력 소모를 60W 줄이는 것에 해당된다.

다음 단계는 DC-AC 인버터를 최적화하는 것이다. 이를 위해서는 실리콘 IGBT를 적합한 SiC MOSFET으로 교체할 수 있다. Wolfspeed의 650V C3M 시리즈 SiC MOSFET[5]은 턴온과 턴오프 모두로 손실이 더 낮을 뿐만 아니라 향상된 온 저항으로 전도 손실이 더 낮기 때문에 동일한 애플리케이션으로 약 2.2%의 효율 향상을 이룰 수 있다. 이것은 86W를 절약하는 것에 해당된다. 여기에다 SiC 쇼트키 다이오드로 전환해서 이룰 수 있는 효율 향상을 더하면 전체적인 시스템 효율 향상은 3.6%에 달한다. 이것은 146W의 손실을 줄이는 것이고, SEER 등급으로는 1/2의 SEER 향상에 해당된다.

그림 2: 고속 다이오드를 SiC 다이오드로 교체함으로써 약 1.5%의 효율 향상을 이룰 수 있다. IGBT를 SiC MOSFET으로 교체함으로써 얻을 수 있는 효율 향상을 더하면 전체적인 시스템 효율 향상은 3.6%에 이른다. 

새로운 전력 스위치를 위해 새로운 토폴로지 필요

하지만 단지 기존 디자인으로 실리콘 스위치를 SiC 디바이스로 교체하는 것만으로는 이 흥미롭고 새로운 WBG 기술의 잠재력을 최대한 실현할 수 없다. IGBT 기반 디자인의 효율은 스위칭 주파수가 약 5kHz 이상이 되면 떨어지기 시작한다. 그러므로 PFC로 SiC의 향상된 특성들을 잘 활용할 수 있는 새로운 토폴로지들을 도입해야 한다. 비용적으로 가장 경제적인 PFC 토폴로지는 반(semi) 브리지리스 토템 폴이다(그림 3). 반 브리지리스 토템 폴은 단 2개의 SiC MOSFET과 한 쌍의 PIN 다이오드를 사용해서 구현되는 것으로서, 뛰어난 전력 밀도와 98.9%에 이르는 효율을 달성한다. 유일한 단점은 풀 브리지 토폴로지에 비해서 경부하 효율이 약간 낮다는 것이다.

브리지리스 토템 폴 PFC는 4개의 SiC MOSFET을 필요로 하나 최대 99.2%에 이르는 변환 효율을 달성한다. 그러므로 높은 효율 대신에 디자인의 복잡성이 증가하고 전반적인 BOM(bill of materials) 비용이 증가하는 것을 잘 따져보아야 한다.

그림 3: PFC로 새로운 토폴로지들을 적용해서 SiC 기술의 이점들을 최대한 실현할 수 있다.

설계를 돕기 위한 평가 보드

실리콘에서 SiC로 전환하기 위해서는 전원 디자이너들이 이 기술을 익히는 시간이 필요할 것이다. 더 높은 주파수로 스위칭할 수 있고, 복구를 덜 필요로 하고, 온도에 대해서 안정적인 점과 같은 특성들을 이해하기 위해서는 스위치를 통제된 레퍼런스 애플리케이션으로 작동시켜보는 것이 필요하다. 이를 위해서 Wolfspeed는 TO-247-4 패키지를 적용한 2개 C3M(C3M0060065K) MOSFET과 300H 인덕터를 탑재한 벅/부스트 평가 보드[6](KIT-CRD-3DD065P)를 제공한다(그림 4). 이 보드는 벅 모드나 부스트 모드로 최대 450VDC의 입력 및 출력 전압과 최대 2.5kW 전력으로 동작할 수 있다. 이 평가 보드를 사용해서 100kHz 혹은 다른 인덕터를 사용해서 그보다 더 높은 주파수로 타이밍, 오버슈트, 스위칭 손실 같은 것들을 평가할 수 있다. 이 키트와 함께, BOM과 스키매틱 같은 설계 파일과 디자이너들을 위한 퀵 스타트 비디오를 지원한다.

  
그림 4: 이 벅/부스트 평가 보드(KIT-CRD-3DD065P)를 사용해서

전원 디자이너들이 SiC MOSFET을 평가해볼 수 있다.

반 브리지리스 토템 폴 AC-DC 토폴로지를 위한 평가 보드(CRD-02AD065N)도 제공한다. 180VAC~264VAC 입력으로 동작하도록 설계된 이 보드는 최대 2.2kW로 385VDC 출력을 제공한다. 이 고효율 80+ 티타늄 디자인은 동일한 C3M0060065K 디스크리트 SiC MOSFET에다 켈빈 접속을 사용해서 패키지 기생 효과를 극복한다. 65kHz로 동작해서 0.98 이상의 역률과 98.5%의 피크 효율을 달성한다.

SiC – 좀더 효율적인 HVAC를 달성하는 가장 빠른 방법

Wolfspeed는 SiC MOSFET을 창안한 회사로서, 30년 넘게 이 기술을 개발해 왔다. 이 세월 동안에 SiC는 현장에서 가동 시간이 7조 시간을 돌파했다. Wolfspeed는 WBG에 대한 확고한 의지를 가지고 제조 설비에 대한 투자를 계속함으로써 2024년에 이르러서 생산 용량을 30배까지 늘리게 되었다. 이로써, 에너지 가격이 상승함에 따라서 HVAC 제조사들이 장기적으로 실리콘 IGBT와 MOSFET을 뛰어넘어서 더 높은 효율을 달성하고자 SiC로 전환하려고 하고 있는데, 디자이너들과 조달 팀이 안심할 수 있게 충분한 물량을 공급하게 되었다.

이 점이 중요한 것은, 꾸준히 상승하는 에너지 가격과 반도체 공급 불안에 대한 시장의 염려가 계속되고 있기 때문이다. 소비자들과 기업들이 가동 비용에 매우 민감하게 되었으며, 냉난방 장비를 새로 구매하거나 교체하고자 할 때 효율 라벨을 지표로 삼고 있다. SiC로 전환함으로써 기존 디자인으로 1/2의 SEER 등급을 추가할 수 있으며, SiC의 이점을 최대한 실현하도록 완전히 새로 설계한다면 더더욱 높은 효율 향상을 이룰 수 있을 것이다. 아울러서 디자이너들을 돕기 위해서 다양한 평가 플랫폼들이 제공되고 있으므로 전원 디자이너들이 지금 바로 SiC를 활용한 설계를 시작하고 경쟁사보다 앞서서 이 기술을 활용한 제품을 시장에 내놓을 수 있을 것이다.

참고자료

1. https://www.cleanenergywire.org/factsheets/energy-crunch-what-causes-rise-energy-prices

2. https://energy.ec.europa.eu/topics/energy-efficiency/heating-and-cooling_en

3. https://www.eia.gov/tools/faqs/faq.php?id=1174&t=1

4. https://www.mouser.com/new/wolfspeed/wolfspeed-650V-sic-diodes/

5. https://www.mouser.com/new/wolfspeed/wolfspeed-650v-sic-mosfets/

6. https://www.mouser.com/ProductDetail/Wolfspeed/KIT-CRD-3DD065P?qs=GedFDFLaBXHKxgQlRF9Rug%3D%3D