SiC가 차세대 자동차 전력 전자 장치를 구현하는 방법

May 31, 2026

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블라디미르 할라이(Vladimir Halaj), 온세미(onsemi) 테크니컬 마케팅 애널리스트 / 제공: 마우저 일렉트로닉스

2026년 5월 19일

EV 전력 전자 공학의 과제와 SiC의 역할

전기차(EV)는 전력 전자 설계에 있어 매우 엄격하며 때로는 상충하는 제약 조건을 부과합니다. 제한된 설치 공간, 중량 목표, 효율성 요구사항, 열 제한, 안전 표준, 원가 절감 압력 등을 모두 고려해야 하며, 동시에 수년 동안 안정적으로 작동할 수 있는 차량 플랫폼 내에서 이 모든 것을 동시에 해결해야 합니다. EV 아키텍처가 더 높은 배터리 전압과 증가된 온보드 전력으로 진화함에 따라, 이러한 트레이드오프(상충 관계)를 관리하는 것은 OEM과 티어 1(Tier-1) 공급업체의 핵심 과제 중 하나가 되었습니다.

실리콘 카바이드(SiC)는 고전압(HV) 전력 전자 분야에서 이러한 과제를 해결하기 위한 중요한 와이드 밴드갭(WBG) 소재로 부상했습니다. 기존의 실리콘(Si) 슈퍼 정션 MOSFET과 IGBT는 수십 년 동안 자동차 애플리케이션에 유용하게 사용되어 왔지만, 전력 수준이 높아짐에 따라 일부 애플리케이션에서 한계를 보이고 있습니다. 반도체 물리학에 의해 결정되는 높은 스위칭 손실과 스위칭 주파수의 제약, 냉각 오버헤드 증가, 그리고 그에 따른 크기와 무게의 불이익 등이 그 예입니다. 이는 오늘날 EV의 성능 목표를 계산하는 트레이드오프 방정식의 입력 변수들입니다.

이러한 과제는 AC와 DC 간 또는 서로 다른 DC 전압 레벨 간에 에너지를 효율적으로 변환해야 하는 차량의 고전압(HV) 전력 변환 단계에서 가장 두드러지게 나타납니다. 이러한 서브시스템 중 하나가 모든 배터리 전기자동차의 필수 부품인 온보드 차저(OBC)입니다. OBC는 그리드의 AC 전력을 고전압 배터리 팩을 충전하는 데 적합한 DC 전력으로 변환하는 동시에 효율, 전력 밀도, 열 성능 및 전자기 호환성(EMC)에 대한 엄격한 제약 조건 하에서 작동합니다.

OBC 요구사항은 차량 클래스 및 지역 인프라에 따라 다릅니다. 프리미엄 EV는 충전 시간을 단축하기 위해 최대 22kW의 온보드 충전 전력을 목표로 하므로 설계 응력이 높아지고 더 복잡한 열 솔루션이 필요합니다. 중저가형 EV는 일반적으로 11kW를 목표로 하여 전력 변환 토폴로지 및 전자 부품 선택에 더 많은 유연성을 제공하므로 비용과 성능 사이에서 더 많은 옵션을 제공합니다. SiC 디바이스는 더 높은 스위칭 주파수를 구현하고, 전력 손실을 크게 낮추며, 낮은 역회복 바디 다이오드를 제공하고, 열 성능을 향상시킴으로써 OBC 설계 공간을 확장합니다. 이를 통해 설계자는 자성 부품 및 수동 부품의 크기를 줄이고, 열 관리를 단순화하며, 전반적인 시스템 효율을 향상시킬 수 있습니다. EV 성능 목표를 지원하기 위해 온세미(onsemi)는 OBC 및 기타 고전력 EV 서브시스템을 위한 광범위한 자동차 등급 인증을 획득한 광범위한 SiC 솔루션 포트폴리오를 제공합니다. 여기에는 디스크리트 SiC MOSFET, 다이오드 및 통합 파워 모듈이 모두 포함되어 있어 설계자가 성능을 확장하고 레이아웃을 최적화하며 자동차 신뢰성 목표를 달성할 수 있도록 돕습니다.

OBC 아키텍처: 파워 스테이지 토폴로지 및 반도체

기존 OBC는 일반적으로 브리지리스 PFC 단계와 그 뒤를 잇는 절연형 DC-DC 단계로 구성된 2단 파워 컨버터로 구현되며, 대개 LLC 또는 CLLC 공진 토폴로지를 기반으로 합니다. EV 플랫폼이 800V 배터리 아키텍처와 더 높은 온보드 충전 전력으로 전환됨에 따라, 이러한 단계에는 최대 1200V 등급의 정격을 가지며 더 높은 주파수 동작이 가능한 SiC 디바이스가 필요합니다.

11kW~22kW 범위의 OBC 설계를 지원하기 위해 온세미는 PFC 및 DC-DC 스테이지 모두에 최적화된 SiC APM32 파워 모듈을 제공합니다. 예를 들어, NVXK2VR40WXT2(1200V, 40mΩ) 3상 브리지 모듈은 브리지리스 PFC 구현에 적합하며, NVXK2TR40WXT와 같은 풀 브리지 및 듀얼 하프 브리지 모듈은 더 빠른 DC-DC 변환 요구를 충족합니다 (그림 1). 이 모듈들은 AEC-Q101, AQG-324에 따라 자동차 등급 인증을 받았으며 연면거리(Creepage), 공간거리(Clearance) 및 신뢰성 IEC 표준을 충족하여 혹독한 차량 환경에서 견고한 OBC 설계를 지원합니다.

그림 1: 11kW~22kW OBC 솔루션을 위한 APM32 모듈 기반 파워 스테이지 설계 예시 회로도. DC-DC 변환을 위한 브리지리스 PFC 토폴로지와 LLC 토폴로지.

양방향 충전(V2H)을 통한 OBC 기능 확장

오늘날의 OBC 설계는 단방향 충전을 넘어, 차량-가정 간 전력 공급(V2H) 동작을 가능하게 하는 양방향 에너지 흐름을 지원하도록 점점 더 요구받고 있습니다. 이 모드에서 EV 배터리는 이동식 에너지 저장 시스템 역할을 하여 정전 시나 태양광과 같은 지역 발전과 연계될 때 가정에 전력을 다시 공급할 수 있습니다. 전력 전자 관점에서 이 기능은 일반적으로 능동 PFC 단계와 결합된 양방향 CLLC DC-DC 토폴로지를 사용하여 실현됩니다. 고효율 OBC 설계에 이미 사용되고 있는 온세미 SiC 전력 모듈은 이러한 양방향 동작 모드를 지원하는 데 매우 적합하며, 효율적이고 컴팩트한 구현과 충전 및 방전 동작 간의 원활한 전환을 가능하게 합니다.

상단 냉각(Top-Side Cooled) SiC MOSFET을 이용한 OBC 설계 최적화

400V 배터리 아키텍처에서 OBC 설계는 증가하는 전력 밀도 목표, 더 엄격해진 열 제한, 넓은 작동 범위에 걸친 고효율 필요성으로 인해 점점 더 많은 도전에 직면해 있습니다. 이러한 요구사항을 해결하기 위해 SiC MOSFET은 OBC 파워 스테이지와 기타 고전압 DC-DC 컨버터 모두에서 선호되는 스위칭 디바이스가 되고 있습니다.

이를 지원하기 위해 온세미는 상단 냉각 방식의 T2PAK 패키지를 적용한 고급 SiC MOSFET을 출시했습니다. 기존의 하단 냉각 패키지와 비교할 때, T2PAK은 디바이스의 노출된 드레인 패드와 외부 방열판 또는 금속 섀시 간의 직접적인 열 접촉을 가능하게 합니다 (그림 2). 이는 다이(Die)로부터의 열 방출을 크게 개선하고, PCB의 열 응력을 줄이며, 동일한 실장 면적 내에서 더 높은 연속 전력 동작을 가능하게 합니다. 그 결과, 설계자는 컴팩트한 OBC 인클로저에서 점점 더 중요해지는 요구사항인 견고한 열 마진을 유지하면서 더 높은 전력 밀도를 달성할 수 있습니다.

그림 2: 상단 냉각 방식의 T2PAK 패키지에 담긴 SiC MOSFET은 노출된 드레인 패드와 외부 방열판 또는 금속 섀시 사이에 직접적인 열 접촉을 가능하게 합니다. (출처: 온세미)

최고의 시스템 성능을 달성하려면 방열판, 장착 압력, 높은 전도성의 열 인터페이스 물질(TIM) 선택을 포함한 전체 열 적층(Thermal Stack-up) 구조에 세심한 주의를 기울여야 합니다. 올바른 TIM 적용은 디바이스의 접합부-케이스 간 열 저항(R_ƟJC)을 넘어 일관된 열 저항을 보장하므로, 혹독한 작동 조건에서도 장기적인 신뢰성을 지원합니다 (표 1).

표 1: 온세미(onsemi) T2PAK 패키지 SiC MOSFET 주요 사양

부품 번호	V_DSS	V_{GS_OP} [V]	R_DS(ON) [mΩ]	Q_G(TOT) [nC]	R_ƟJC [℃/W]
NVT2012N065M3S	650V	-3 / +18	12.7	135	0.35
NVT2016N065M3S	650V	-3 / +18	16	100	0.45
NVT2023N065M3S	650V	-3 / +18	23	74	0.52

T2PAK 패키지는 열적 이점 외에도 긴 리드선을 제거하고 기존 D2PAK 또는 TO-247-4L 패키지에 비해 더 타이트한 정류 루프를 가능하게 함으로써 기생 표류 인덕턴스를 최소화합니다. 이러한 설계 특징 덕분에 PCB 상의 전기 배선이 더욱 유연해지며, 스위칭 손실 감소, 전압 오버슈트 감소, 그리고 전반적인 시스템 성능 향상에 직접적으로 기여합니다. 온세미(onsemi)의 M3S SiC 기술과 결합된 상단 냉각 SiC MOSFET은 400V 전기차 플랫폼에서 고성능 OBC 설계를 위한 강력한 솔루션을 제공합니다.

디바이스에서 시스템까지: SiC 기반 솔루션 구축

SiC MOSFET의 이점을 완전히 활용하려면 갈바닉 절연 게이트 드라이버가 빠른 스위칭 기능과 견고한 보호 기능을 포함하여 이 기술에 최적화되어야 합니다. SiC MOSFET은 스위칭 이벤트 동안 드레인 전압을 게이트로 결합시키는 밀러 커패시턴스(CDG)로 인해 기생 턴온이 발생하기 쉽습니다. 이는 매우 높은 di/dt 값 때문에 MOSFET 턴오프 단계에서도 발생할 수 있습니다. 기생 턴온 중에 고전압 레일에서 접지로의 직접적인 단락이 나타나면 슈트스루(Shoot-through) 전류가 발생하고 디바이스 고전압 실패로 이어질 수 있습니다. 이 문제를 효과적으로 완화하는 한 가지 방법은 턴오프 단계에서 VGS를 0V 미만, 일반적으로 -3V 또는 심지어 -5V까지 낮추는 것입니다. NCV51152 절연 게이트 드라이버는 이러한 보호 기능을 제공하며, 외부 네거티브 바이어스 또는 네거티브 전원 공급을 지원하여 턴오프 중에 네거티브 VGS 스윙을 생성할 수 있습니다.

온세미 11kW Matrix OBC 데모 설계는 이러한 시스템 개념들을 통합하며, 이는 SiC 기술이 어떻게 완전한 OBC 솔루션으로 통합될 수 있는지를 보여줍니다 (그림 3).

그림 3: 온세미의 11kW급 매트릭스 OBC 실증 설계 (출처: 온세미)

상단 냉각 방식의 T2PAK 패키지에 담긴 SiC MOSFET은 파워 스테이지의 핵심 소자로서 뛰어난 스위칭 성능, 효율적인 열 관리, 그리고 견고한 구현을 가능하게 합니다. 갈바닉 절연 게이트 드라이버와 쌍을 이룰 때, 이 설계는 견고한 제어, 빠른 스위칭 및 신뢰성 높은 동작을 달성합니다. 이 데모 설계는 첨단 반도체, 패키징, 열 관리 및 제어 알고리즘이 실제 EV 설계 제약 조건을 해결하는 작동 가능한 OBC 플랫폼에 어떻게 통합될 수 있는지 보여주는 시스템 레벨의 접근 방식을 제시합니다.