KETI(전자부품연구원)는 전력변환장치의 소형화 및 고효율 설계가 가능한 차세대 전력반도체 소자 고성능 구동기술을 김진홍 박사 연구팀이 개발했다고 3일 밝혔다.

전기 에너지를 수용자가 필요한 전력의 형태로 변환시키는 장치인 전력변환장치는 전력반도체의 스위칭 제어를 통해 최소한의 에너지 손실로 AC/DC변환 등 필요한 형태의 전력을 공급하는 장치다.

김진홍 박사 연구팀이 개발한 차세대 전력반도체용(SiC/GaN계열) 구동회로는 최대 수백 kHz의 높은 주파수에서도 스위칭이 가능하다.

특히 전력반도체의 오동작을 검출할 수 있는 회로를 내장해 전력변환장치의 고효율, 소형화 설계가 모두 가능하다.

고주파 구동을 고려해 구동회로의 부품 및 전류 루프 설계를 최적화 하고 상대적으로 오동작에 취약한 차세대 전력반도체 보호를 위해 별도의 검출회로를 추가해 오류 검출시간을 앞당겼기 때문이다.

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.

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 어렵다는 것.

Si계열의 전력반도체를 적용하는 경우 전력변환장치의 고효율화와 소형화 간 상충관계가 발생한다고 KETI측은 설명했다.

현재 전력반도체 시장의 차세대 소재로 주목받고 있는 SiC(실리콘 카바이드)와 GaN(갈륨나이트라이드)계열 차세대 전력반도체는 기존 Si계열에 비해 도통 손실과 스위칭 손실이 적어 높은 스위칭 주파수에서 동작가능하다.

그러나 차세대 전력반도체를 고주파로 동작시킴에 따라 구동회로 내 기생성분(회로 내 소자 및 도선 등에 필연적으로 발생하는 인덕턴스, 커패시턴스 및 저항 성분)에 의해 전력반도체가 오동작할 수 있다. 또 이를 막기 위한 보호회로 구현 또한 어렵다는 문제가 있다.

김진홍 KETI 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 말했다.

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