재생 에너지 저장 시스템의 발전을 주도하는 고전압 SiC 전력 모듈
(출처: Emanuel / stock.adobe.com, AI로 생성)
무더운 여름날의 저녁, 전기차를 충전하는 동안 에어컨은 최대 출력으로 가동시키는 부산한 도시의 모습을 상상해 보자. 전력 수요가 급증하면 브라운아웃이 발생할 위험이 있지만, 다행히도 배터리 에너지 저장 시스템(BESS)을 사용하면 이러한 상황을 부분적으로 피할 수 있다(그림 1).
그림 1: 태양광 패널과 기타 에너지원의 출력을 포집하기 위한 배터리 에너지 저장 시스템은 실내/실외에 설치할 수 있으며 단일 또는 여러 개의 모듈식 이동식 장치로 구성할 수 있다. (출처: scharfsinn86/stock.adobe.com)
이 트레일러 크기의 장치는 잉여 발전 기간 동안 기존 및 간헐적 재생 에너지원에서 생산된 전기 에너지를 저장했다가 필요에 따라 전력망에 다시 공급하는 피크 수요 전력 저장소 역할을 한다.
다음은 BESS이 갖춘 매력적인 다양한 기능이다:
- 높은 에너지 밀도와 높은 전력 저장 및 공급 효율
- 모듈식으로 쉽게 운반 가능
- 실외/실내 관계없이 다양한 전력망 요구 사항과 설치 장소에 맞게 조정 가능
- 전체 크기 및 용량의 확장성
- 낮은 유지보수 비용과 가동 중단 시간
- 소음 및 배출가스 없음
해당 기술이 스마트 그리드 애플리케이션 등에 지속적으로 영향을 미치면서, 에너지 솔루션도 이에 발맞춰 발전하는 것이 중요하다. 이 글에서는 효율성, 확장성 및 시스템 안정성 기능에 중점을 두어 실리콘 카바이드(SiC) 전력 모듈이 BESS를 어떻게 발전시키는지 살펴보고, Wolfspeed 의 다목적 전력 모듈 제품들을 확인해 본다.
SiC, 스위치 기술을 강화하다
BESS 설계 구현의 실용성은 여러 요인에 기인한다. 첫째, 특히 간헐적인 에너지원과 함께 사용될 때 BESS가 제공하는 기능에 대한 수요가 증가하고 있다. 하지만 수요만으로는 충분하지 않으며, 이는 기본 수동 커넥터 및 회로 보호 장치부터 저장된 DC 에너지를 유용한 전력으로 변환하는 데 필요한 능동 전력 전환 장치에 이르는 전자 부품도 필요하기 때문이다.
이러한 부품들 중 SiC 기술을 기반으로 하는 전력 스위칭 디바이스가 점점 더 많이 사용되고 있다. SiC는 실리콘만을 기반으로 하는 기존 디바이스에 비해 여러 가지 우수한 특성을 가지고 있다.
SiC는 실리콘보다 훨씬 높은 항복 전압과 더 넓은 밴드갭 에너지를 가지고 있다. 따라서 SiC 부품은 고전압에서 작동하면서도 고전력 애플리케이션에서 더 낮은 누설 전류와 향상된 효율을 보인다. SiC는 열 안정성과 전도성(Si의 경우 1.5W/cm-K 대비 ~3.7W/cm-K)이 높기 때문에 경우에 따라 200°C를 초과하는 접합 온도에서 SiC 디바이스를 사용할 수 있으므로 더 작은 히트싱크가 필요하다. 그러나 실제 온도 제한은 디바이스 설계 및 제조업체 사양에 따라 다르다. 또한 SiC는 고전압에서 실리콘 기반 디바이스보다 일반적으로 2~3배 낮은 온상태 저항(RDS(on))으로 인해 전도 손실이 더 낮다. 마지막으로, SiC는 실리콘 IGBT보다 최대 5~10배 빠른 스위칭 속도로 작동할 수 있어 작동 효율이 훨씬 더 높다.
차이를 만드는 Wolfspeed의 혁신
아무리 우수한 SiC 디바이스라고 해도 최종 애플리케이션에서 '즉시 사용 가능한' 전력 디바이스가 되지는 않는다. 완전한 전력 변환 설계는 레이아웃, 기판, 지원 부품, 열 관리 및 기타 다양한 고려 사항에 세심한 주의를 기울여야 한다. 이러한 이유로 SiC 디바이스를 사용 예정인 경우에는 즉시 사용 가능한 완전한 전력 모듈이 최적의 옵션이다.
이는 Wolfspeed WolfPACK™ 실리콘 카바이드 전력 모듈이 에너지 저장 시스템 등을 위한 획기적인 기술인 이유이다. 1500VDC 버스 애플리케이션용 2300V 베이스 플레이트 없는 SiC 전력 모듈은 Wolfspeed의 최첨단 200mm 실리콘 카바이드 웨이퍼로 제작된 장치를 사용하여 개발 및 출시되었으며(그림 2), 이를 통해 수율을 향상시키고 제조 비용을 절감했다.
그림 2: 1500VDC 버스 애플리케이션용 2300V 베이스플레이트 없는 SiC 전력 모듈은 Wolfspeed 최첨단 200mm 실리콘 카바이드 웨이퍼를 사용하여 개발 및 출시되었다. (출처: Wolfspeed)
이러한 전력 모듈의 이점은 분명하다. 시스템 효율성을 개선하고, 시스템 전력 밀도를 높이며, 수동 부품 수를 줄이고, 전체 시스템 비용을 절감할 수 있다. 단일 패키지로 통합된 개별 설계로 모듈 온도를 쉽게 측정하기 위한 음의 온도 계수(NTC) 서미스터도 포함되어 있다.
이 WolfPACK 모듈은 하프 브리지, 6팩 및 T형 구성으로 제공되며, 현재 2300V용 하프 브리지 모듈이 출시되었다(그림 3). 모든 모듈은 사전 적용된 열 인터페이스 재료 옵션을 제공한다. 이 기술은 IGBT에 비해 스위칭 손실을 77% 감소시키고, 1500V 애플리케이션을 위한 다른 실리콘 카바이드 디바이스에 비해 스위칭 손실을 2~3배 감소시킨다. 2300V 하프 브리지 구성은 현재 약 57mm × 63mm의 풋프린트와 12mm 높이의 컴팩트한 패키지로 제공된다.
그림 3: 2300V, 5.0mΩ 실리콘 카바이드 하프 브리지 모듈(왼쪽)인 Wolfspeed CAB5R0A23GM4는 내장형 서미스터(오른쪽 회로도에 표시)를 비롯한 장치 통합을 제공한다. (출처: Wolfspeed)
이 기술은 고도로 모듈화되고 유연한 시스템 구현을 위한 빌딩 블록으로서 전력 모듈을 지원하여 대규모 설비로의 확장을 용이하게 한다. 설계 간소화를 통해 확장성이 확보되기 때문에 대량 생산 시스템을 쉽게 유지 관리하여 신속하게 구축할 수 있다. 이를 통해 설계자는 저렴한 인쇄 회로 기판(PCB)을 활용하여 기존 솔루션에 비해 제조 비용을 절감하고 개발 시간을 크게 단축할 수 있다.
Wolfspeed 2300V 모듈은 IGBT 기반 3단계 구성에 비해 시스템 설계 간소화와 게이트 드라이버 수를 줄일 수 있는 2단계 토폴로지를 지원한다. 2단계 구현에 이 모듈을 사용하면 시스템 전체의 잠재적인 장애 지점을 줄일 수 있다. 이 모듈을 사용하는 설계자는 Spice 및 열 모델, 인터페이스 및 드라이버 세부 정보, 실장 사양, 열 관리 및 기생, EMI 고려 사항에 대한 애플리케이션 노트를 포함한 심층적인 지원을 받을 수 있다.
차세대 재생 에너지 시스템에서 입증된 성능
Wolfspeed 모듈의 이점은 이미 업계에 혁신을 일으키고 있다. 예를 들어, Wolfspeed는 전력 변환 솔루션의 선두주자인 EPC Power와 협력하여 그리드 수준에서 에너지 저장을 최적화하도록 설계된 차세대 재생 에너지 인버터 플랫폼인 M 시스템을 출시했다.[1]
Wolfspeed 2300V WolfPACK 전력 모듈을 기반으로 하는 이 시스템은 모듈식 구조로 탁월한 유연성을 제공하여 단일 5.3MVA 인버터 블록부터 10개의 독립 537kVA 인버터까지 다양한 구성이 가능하다. 해당 제품의 혁신적인 아키텍처는 최고 수준의 신뢰성, 가용성 및 효율성을 제공하여 생산을 간소화하고, 설치 공간을 줄이며, 수익성을 극대화하도록 설계되었다.
Wolfspeed SiC 솔루션은 청정 에너지 격차를 해소하고, 차세대를 위한 오늘날의 에너지 기술을 가속화하는 동시에 이 분야에서 국가적 제조 리더십을 강화하는 데 기여하고 있다. SiC 분야의 선구자로서 Wolfspeed는 현대 에너지 소싱 및 공급을 위한 새로운 시대를 촉진하는 솔루션을 개발하고 있다. Wolfspeed는 실리콘 카바이드 모듈이 제공하는 상당한 이점을 인지하고 있으며, 에너지 효율, 신뢰성, 확장성을 최우선으로 생각한다.
[1]https://www.wolfspeed.com/company/news-events/news/wolfspeed-unveils-cutting-edge-silicon-carbide-module-solution-to-boost-clean-energy-capacity/
저자 소개
빌 슈웨버(Bill Schweber)는 전자 통신 시스템에 대한 3권의 교재와 수백 편의 기술 기사, 오피니언 컬럼, 제품 기능 설명서 등을 작성한 전자 엔지니어이자 마우저 일렉트로닉스의 저술자다. 그는 EE Times의 여러 주제별 사이트뿐 아니라 EDN의 Executive Editor와 Analog Editor로 근무했다. 그는 매사추세츠 대학교(University of Massachusetts)에서 전기공학 석사(MSEE), 컬럼비아 대학교(Columbia University)에서 전기공학 학사(BSEE) 학위를 취득했으며, 등록된 전문 엔지니어(Registered Professional Engineer) 자격을 보유하고 있다. 또한 고급 아마추어 무선(Advanced Class amateur radio license) 면허를 가지고 있다. Bill은 MOSFET 기본 개념, ADC 선택, LED 구동 등 다양한 엔지니어링 주제에 대한 온라인 강좌를 기획, 집필, 강의한 경험도 있다.
기업 소개
Wolfspeed(NYSE: WOLF)는 실리콘 카바이드(Silicon Carbide) 및 GaN 기술의 전 세계적 채택을 선도하는 기업이다. Wolfspeed는 효율적인 에너지 소비와 지속 가능한 미래를 위한 업계 최고의 솔루션을 제공한다. Wolfspeed의 제품군에는 실리콘 카바이드 소재, 전력 스위칭 장치, 그리고 전기 자동차, 고속 충전, 5G, 재생 에너지 및 저장 장치, 항공우주 및 방위 등 다양한 애플리케이션에 사용되는 RF 장치가 포함된다.