전기전자/정보통신

미쓰비시전기 기보_2017.7 (Vol. 91 No.7)_권두논문(p2~6)

파워 일렉트로닉스 기술의 장래 전망
Prospect of Power Electronics Technology
Akihiko Iwata 외 1명/ 첨단기술 총합연구소 파워 일렉트로닉스 부문 주관 기사장

요지
파워 일렉트로닉스는 파워 디바이스의 스위칭에 의해 전기를 제어하여 모터를 회전시키거나 전력을 전송하는 기술이다. 자동차 및 가전 등, 일상에서나 철도 및 엘리베이터 등의 사회 인프라, 또한 많은 공장에서 이용되고 있다. 파워 일렉트로닉스는 전기를 생성부터 소비에 이르기 까지 고효율화 및 안정화가 가능하다. 세계의 전력 소비를 줄이기 위해 파워 일렉트로닉스 기술의 적용을 통한 확대가 바람직하다.

또한, 파워 일렉트로닉스 기술에 의한 고성능화는 우리의 삶을 보다 풍요롭게 만들어 준다. 고속∙고정밀도로 모터를 가동시키는 기술은 공장의 생산성을 확연하게 증가시켜, 저가에 고품질의 물건 만들기를 실현시킨다. 또한, 사람과 사물의 운송을 보다 원활하고 안정적으로 해 준다. 이미 파워 일렉트로닉스 기술은 우리의 삶에 없어서는 안 되는 존재가 되었다.

미쓰비시전기에서는 가정∙회사∙사회∙공장을 위한 파워 일렉트로닉스 관련제품의 제조 및 판매를 시행함과 동시에, 그것들의 전반적인 기술 개발을 추진하고 있다. 파워 디바이스에서는 SiC(실리콘 카바이드) 등 와이드 밴드 갭 반도체가 보급되기 시작해, 우선적으로 성(省)에너지가 요구되는 에어컨 등에 적용되었다. 전력 변환기로는 멀티 레벨화가 진행된 모듈러 멀티 레벨 컨버터가 대전력의 STATCOM(STATic synchronous COMpensator)에 적용되었다.

제어로는 영구자석 동기 전동기의 위치 검출기가 없는 제어의 진화가 두각을 나타내고 있다. 축전지는 에너지 매니지먼트의 핵심 부분으로써 고령화 및 상태 감시 등의 개발이 추진되고 있다. 또한, 각 하드웨어의 배치를 최적화시켜 소형화하는 인테그레이션 기술로의 도입도 활발하게 이루어지고 있다.

1. 머리말
당사는 글로벌 환경의 선진기업으로써 CO₂배출량 절감에 도움이 되는 제품 및 시스템의 성 에너지화에 매진하고 있다. 그 중에서 파워 일렉트로닉스는 성 에너지 기술이 중심이며, 범용 인버터 등의 파워 일렉트로닉스 관련 제품부터, 에어컨 및 차량용 추진 장치에 이르기까지 파워 일렉트로닉스 관련 제품에 널리 적용되고 있다. 이 글에서는 파워 일렉트로닉스의 요소 기술인 파워 디바이스, 변환기, 제어의 최신 기술과 함께, 소형화를 위한 인테그레이션 기술 및 핵심 부품 기술 등에 대해서 설명하겠다.

2. 파워 일렉트로닉스 제품의 성능지표와 기술
대표적인 파워 일렉트로닉스 제품의 성능의 진화를 그림(1)에 표시했다. 소형화 지표인 파워의 밀도, 성 에너지 지표인 주입 효율(출력/손실)은 20년간 약 3배로 증가했다. 이것은 소자가 Si(Silicon)-IGBT에서 SiC-MOSFET(Metal- Oxide - Semiconductor Field - Effect Transistor)로 바뀌게 되어 고속 소자의 가동 및 보호기술과 서지(Surge) 제어 기술이 확립되었기 때문에 가능했다.

또한, 기능 지표인 고속주파수 응답은 약 10배나 높아졌다. 이것은 연산 디바이스의 진화 및 현대의 제어 이론이 적용되었기 때문이다. 파워 밀도 및 주입 효율의 증가는 비용 절감으로 이어졌으며, 속도 주파수 응답의 증가는 기능을 향상시켰다. 제품마다 중요시 되는 지표는 서로 다르지만, 파워 일렉트로닉스 제품의 보급에는 전 지표가 밸런스에 맞게 늘어나 전체의 가치를 최대화시키는 것이 바람직하다고 볼 수 있다.

3. 파워 디바이스의 진화와 와이드 밴드 갭 (WGB) 반도체
파워 일렉트로닉 기기는 바이폴라 트랜지스터 및 사이리스터와 같은 자기소호형(自己消弧型) 디바이스의 개발에 의해 VVVF(Variable Voltage Variable Frequency) 인버터가 실용화되어 비약적으로 보급이 확산되었다. 현재는 IGBT가 주력 디바이스로써 가전부터 철도, 전력까지 광범위한 분야에서 사용되고 있다. IGBT는 성능 향상, 고전류 밀도화라는 진화를 통해 기기의 진화에 공헌해 왔다. 현재, 7세대 정격전압에서는 6.5㎸의 모듈이 상품화되고 있다.

한편, 한층 더 비약적인 성능 향상을 목표로, SiC 및 GaN(질화 갈륨)과 같은 와이드 밴드 갭 반도체의 실용화 개발이 추진되고 있다. SiC에서는 SBD(Schottky Barrier Diode)와 MOSFET이 제품화되었다. Si에서는 앞에서 말한 IGBT 등 바이폴라 다바이스가 주류였으나, 와이드 밴드 갭 반도체에서는 그 특징을 활용한 유니폴라 디바이스가 주류이다. 당사는 전력 소비 절감의 디바이스인 SiC 디바이스 보급의 확대를 위해 더욱 개발을 지속해 나아갈 방침이다.

4. 변환기와 인테그레이션 기술
5. 제어 기술
6. 핵심 부품 기술
7. 사람과 사회를 지원하는 파워 일렉트로닉스 제품

8. 맺음말
파워 일렉트로닉스 기술에서 성 에너지를 가속화하기 위해서는 기기 자체의 손실을 줄이면서 파워 일렉트로닉스를 사용한 성 에너지 시스템 제품을 보다 많이 보급시킬 필요가 있다. 그러기 위해서는 비용과 사이즈를 줄이고 시스템의 부가가치를 높이기 위해 새로운 기능을 개발하는 것이 중요하다.

 -- 끝 --