KETI, 차세대 전력반도체용 구동회로 개발…수백 kHz 주파수에서 스위칭 가능
KETI, 차세대 전력반도체용 구동회로 개발…수백 kHz 주파수에서 스위칭 가능
  • 최승욱 기자
  • 승인 2019.10.03 11:00
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산업용 충전기 효율을 6% 향상시키고 해외 제품보다 부피와 무게 30% 줄여…고밀도·고효율 전력변환시대 견인
차세대 전력반도체 모듈 구동회로. (사진제공=KETI)

[뉴스웍스=최승욱 기자] KETI(전자부품연구원, 원장 김영삼)는 전력변환장치의 소형화 및 고효율 설계가 가능한 차세대 전력반도체 소자 고성능 구동기술을 개발했다고 3일 밝혔다.

이에따라 고밀도·고효율 전력변환시대를 견인하게 되었다는 평가가 나온다.

전기 에너지를 수용자가 필요한 전력의 형태로 변환시키는 전력변환장치는 전력반도체의 스위칭 제어를 통해 최소한의 에너지 손실로 AC/DC 변환 등을 통해 필요한 형태의 전력을 공급한다. 스위칭 제어란 전력반도체의 ON/OFF 제어를 말한다. 이를 통해 전류를 도통, 차단하면서 원하는 형태로 전력을 변환할 수 있다.

KETI에 따르면 최근 사용자의 편의성과 에너지 효율성을 높이기 위해 전력변환장치의 고효율화 및 소형, 경량화에 대한 설계 요구가 증가하는 추세다.

일반적으로 전력반도체를 높은 스위칭 주파수로 제어하면 전력변환장치 내 인덕터, 커패시터 등 수동소자의 크기를 작게 설계해 전력변환장치를 소형화할 수 있다.

하지만 기존 Si(실리콘)계열 전력반도체는 스위칭 시 에너지 손실이 크기 때문에, 주파수를 높일 경우 소형화는 가능하지만 고효율화가 어려워진다. Si계열의 전력반도체를 적용하는 경우, 전력변환장치의 고효율화와 소형화 간 상충관계가 발생한다.

현재 전력반도체 시장에서 차세대 소재로 주목받는 SiC(실리콘 카바이드)와 GaN(갈륨나이트라이드)계열 차세대 전력반도체는 기존 Si계열에 비해 도통 손실과 스위칭 손실이 적어 높은 스위칭 주파수에서 동작이 가능하다. 문제는 차세대 전력반도체를 고주파로 동작시킴에 따라, 구동회로 내 기생성분에 의해 전력반도체가 오동작할 수 있으며, 이를 막기 위한 보호회로 구현 또한 어렵다는 것이다. 기생성분은 회로 내 소자 및 도선 등에 필연적으로 발생하는 인덕턴스, 커패시턴스 및 저항 성분을 의미한다. 일반적으로 주파수가 높을수록 기생성분에 의한 영향이 크게 발생한다.

차세대 전력반도체 구동회로를 적용한 단위 셀 10㎾ 배터리 충·방전기 내부 모습. (사진제공=KETI)

KETI 김진홍 박사 연구팀이 개발한 차세대 전력반도체용(SiC/GaN계열) 구동회로는 최대 수백 kHz라는 높은 주파수에서도 스위칭할 수 있다. 또 전력반도체의 오동작을 검출할 수 있는 회로를 내장, 전력변환장치의 고효율, 소형화 설계가 모두 가능하다. 고주파 구동을 고려해 구동회로의 부품 및 전류 루프 설계를 최적화하고, 상대적으로 오동작에 취약한 차세대 전력반도체 보호를 위해 별도의 검출회로를 추가해 오류 검출시간을 앞당겼기 때문이다. 기존 전력반도체장치는 효율저하 문제로 수∼수십 kHz 내외 주파수에서 구동된다.

KETI는 개발된 구동회로로 90% 내외였던 산업용 충전기기 효율을 6% 향상시키고, 부피와 무게는 30% 줄였으며, 이외 전기차용 인버터, 저전압 충전기 등도 해외 주류제품 대비 30%이상 부피를 줄이는데 성공했다.

충·방전기 외관. (사진제공=KETI)

KETI 김진홍 박사는 “전력변환장치의 고효율, 소형화를 위해서는 차세대 전력반도체를 안정적으로 구동시킬 수 있는 회로가 필수”라며, “앞으로도 SiC와 GaN 소자 관련 구동기술을 축적해, 세계시장에서 국산 전력변환장치의 경쟁력 확보에 일조하겠다”고 밝혔다.

이번 기술은 산업통상자원부와 한국에너지기술평가원의 ‘에너지기술개발사업’으로 지원된 ‘ESS/EV용 모듈화가 가능한 SiC기반 고효율/고밀도 100kW급 배터리팩 시험기 개발’과제로 개발됐다.


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