미국의 전기 소비는 2020년 4조 kWh를 조금 넘는 수준에서 2050년에는 약 5조 5천억 kWh로 늘어날 것으로 예상됩니다.
미국뿐만 아니라 전 세계에서 나타나는 이러한 소비 증가 중 일부는 전기 자동차(EV)를 비롯한 운송 분야의 전기화와 전 세계 컴퓨팅 리소스(수십억 개의 개인 컴퓨팅 장치 및 서버 팜 증가에 따라 사물 인터넷(IoT)으로 연결된 장치)의 증가로 인한 것입니다.
모든 애플리케이션 시장, 특히 EV 및 컴퓨팅 분야에서는 소비되는 전력 비용과 차지하는 공간을 줄임으로써 더 저렴한 비용으로 동일하거나 더 우수한 기능을 제공하고, 이를 통해 경쟁력 있고 지속 가능한 방법으로 시장 수요를 충족할 수 있습니다.
EV 시장에서 성공하기 위해서는 회사가 견고한 내연 기관(ICE)과 효과적으로 경쟁할 수 있도록 범위를 넓히고 자재 명세서(BOM) 비용을 낮추어야 합니다. 범위를 확장하기 위해서는 제조업체에 더 높은 용량의 배터리 시스템이 필요한데, 이를 위해서는 배터리 크기를 늘리거나 전력 효율을 높여야 합니다. 그러나 배터리 크기를 늘리면 차량 무게가 늘어나 전력 소비가 증가합니다. 반대로 동일한 크기의 배터리로 더 많은 전력을 제공하여 전력 효율을 높이면 무게는 줄고, 전력이 더 잘 보존되며, 무엇보다 소비자의 "범위 불안"이 줄어듭니다.
한편 IT 부문에서는 데이터 센터의 전력, 냉각, 부동산 비용이 초기 하드웨어 비용을 짧은 기간 내에 쉽게 뛰어넘습니다. 80+ 티타늄과 같은 새로운 에너지 효율 표준은 시스템 효율성을 높여 이러한 비용을 절감하는 것을 목표로 하지만, 더 복잡한 토폴로지에 사용되는 추가 컴포넌트로 인해 BOM 비용을 늘리지 않으면 달성하기 어려울 수 있습니다.
실리콘 카바이드를 통한 비용 절감 및 효율성 향상
이러한 우려는 실리콘 카바이드(SiC)에서 해결책을 찾을 수 있습니다. SiC는 이미 EV 충전기와 서버 및 통신 장비의 전력 공급 장치에서 널리 채택되고 있는 반도체 기술입니다. 실리콘(Si)보다 성능이 우수하여 제한된 크기의 애플리케이션에서 더 높은 전력 밀도가 필요한 설계에 이상적입니다.
실리콘 카바이드는 전력 밀도가 높은 애플리케이션에 적합한 높은 전력 효율과 열 도전율을 제공합니다. SiC 기반 설계는 열을 더 잘 처리하고 더 높은 주변 온도에서 작동할 수 있기 때문에 부피가 큰 열관리 솔루션이 필요하지 않아 더 가볍습니다. 또한 전환 주파수를 높일 수 있어 마그네틱 및 기타 수동 부품의 크기와 무게를 줄일 수 있습니다.
Wolfspeed, 차세대 650V SiC MOSFET 도입
Wolfspeed는 최고 수준의 시스템 효율을 실현하는 6세대 쇼트키 다이오드를 도입하여 650V SiC에서 선도적인 기술을 확립했습니다. Wolfspeed는 실리콘 카바이드의 장점을 활용하여 전환 손실을 낮추고 전력 효율과 전력 밀도를 높이는 3세대 15mΩ 및 60mΩ(25°C에서 RDS(on)) 650V MOSFET을 도입함으로써 선도적인 입지를 유지하고 있습니다.
새로운 장치인 C3M0015065D, C3M0015065K, C3M0060065D, C3M0060065J, C3M0060065K는 -40°C ~ 175°C의 넓은 온도 범위에서 작동되며, 천공(TO-247-3, TO-247) 및 표면 장착 패키지(TO-263-7)로 제공됩니다.
손실을 줄이는 데 있어 핵심 파라미터는 낮은 온상태 저항입니다. Wolfspeed의 새로운 MOSFET은 175°C에서 단 80mΩ인 RDS(on)에 60mΩ MOSFET을 지정하여 전체 작동 온도 범위에서 개별 패키지로 업계 최저 수준의 온상태 저항을 실현합니다.
62nC의 Qrr을 제공하는 60mΩ MOSFET이 장착된 장치의 초저 역회복 충전(Qrr)에서는 전환 손실이 감소하고, 높은 전환 주파수가 활성화되어 변압기, 인덕터, 커패시터 및 시스템에 있는 기타 수동 부품의 크기와 무게를 줄일 수 있습니다.
전환 주파수가 증가함에 따라 전환 손실이 늘어나는 다른 부품의 장치 정전용량 문제를 해결하기 위해 Wolfspeed는 장치의 장치 정전용량을 대폭 줄였습니다. 예를 들어, 60mΩ 모델은 단 80pF, 15mΩ 모델의 경우 289pF로 신호 출력 정전용량 Coss가 적습니다.
장치 모델은 지정된 RDS(on) 값, 지속 배수 전류 ID 및 패키지가 다르며, 표 1에서 확인할 수 있습니다.
표 1: 새 C3M 650V MOSFET의 주요 사양
BOM 비용 절감
새 650V SiC 장치를 사용하면 다양한 방법으로 비용을 절감할 수 있습니다. Wolfspeed의 장치는 실리콘 기반 650V MOSFET보다 전도 손실이 최대 50% 적고, 전환 손실이 최대 75% 적으면서도 전력 밀도는 3배 더 높습니다. 이처럼 높은 효율성으로 비용을 절감할 뿐만 아니라 마그네틱 및 냉각 장치에 드는 BOM 비용도 절감할 수 있습니다.
예를 들어, 전기 자동차(EV)의 6.6kW 양방향 온보드 충전기(OBC)에 있는 일반 AC/DC 섹션은 650V IGBT 4개, 여러 개의 다이오드 그리고 BOM 비용의 70% 이상을 차지하는 700µH L1 인덕터로 구성됩니다. 650V SiC MOSFET 4개를 사용하여 구현된 설계에는 단 230µH의 L1이 필요합니다. 이는 IGBT 기반 설계에 비해 BOM 비용이 거의 18% 절감된 것입니다.
OBC의 DC/DC 섹션에서도 마그네틱 비용이 크게 줄어 비슷한 절감 효과를 볼 수 있습니다.
차트 1: 전체 시스템의 BOM 비용을 비교한 결과, Wolfspeed의 SiC MOSFET 기반 충전기 솔루션에서 비용이 15% 절감되는 것으로 나타났습니다.
이 애플리케이션에서는 Wolfspeed 장치의 일반 BOM 비용이 전체적으로 약 15% 적었습니다. 또한 피크 시스템 효율은 Si 기반 시스템이 94%인 반면 Wolfspeed 장치는 97%에 달했습니다(차트 1).
참조 설계로 제품 출시 시간 단축
Wolfspeed는 참조 설계를 통해 장치를 광범위하게 지원하며, 새로운 MOSFET도 이러한 점에서 다르지 않습니다. 위에서 설명한 OBC 애플리케이션의 경우, 이 회사의 글로벌 애플리케이션 엔지니어링 팀은 DC 링크가 380V ~ 425V이고 배터리 측 출력이 250V ~ 450V인 6.6kW 양방향 설계를 만들었습니다.
AC/DC 측면에서는 복잡성과 부품 수에 영향을 미치지 않으면서도 Si 기반 구현으로는 달성할 수 없는 매우 효율적이고 비용 효율적인 토템 폴 토폴로지를 사용합니다. 반면 DC/DC 측면에서는 전환 주파수를 일반적인 실리콘 구현보다 최대 3배 더 빠른 150kHz ~ 300kHz의 높은 범위로 끌어올립니다.
제품 및 참조 설계 솔루션
참조 설계
오늘날의 최신 장치 요구 사항을 충족하며 향상된 제품을 구축하는 데 있어 Wolfspeed의 SiC MOSFET 기술이 어떻게 도움이 되는지 자세히 알아보려면 Wolfspeed의 650V SiC MOSFET, 컴패니언 부품 및 참조 설계를 살펴보십시오.
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