일본산업뉴스요약

Nikkei X-TECH_2020.4.3

차량탑재 파워반도체에 이변 (전편)
도요타와 혼다, RC-IGBT 속속 채용
신 파워소자는 핵심 SiC로 이어주는 ‘연결고리’

SiC(탄화규소)의 본격 채용은 시기상조다. 도요타자동차와 혼다가 같은 결론에 도달했다. 양사는 2020년 2월에 발매한 신형 하이브리드차(HEV)의 인버터에서 SiC를 파워반도체 소자(파워소자)에 채용하는 것을 연기했다.

SiC의 대역으로서 도요타와 혼다가 선택한 것은 ‘RC(Reverse-Conducting:역전도)-IGBT’라고 불리는 신형 Si(실리콘)제 IGBT(절연게이트양극성트랜지스터)다. 상세한 내용은 후술하겠지만 현행 IGBT와 비교해 소형화나 손실을 줄이는 효과를 얻을 수 있다.

-- ‘야리스’와 ‘피트’에 탑재 --
차량에 대한 본격 탑재에서 앞서고 있는 도요타. 20년 2월 10일에 발매한 신형 ‘야리스(YARIS)’ HEV에 RC-IGBT를 채용했다. 모터 제어의 개량과 고효율 DC-DC컨버터의 채용 등으로 기존의 하이브리드 시스템과 비교해 30%의 전달 손실을 저감했다. 인버터나 DC-DC컨버터를 일체화한 PCU(파워 컨트롤 유닛)는 덴소가 공급한다.

도요타가 신형 야리스를 발매한 4일 후에 혼다가 투입한 신형 ‘피트’도, 혼다로서는 처음으로 PCU에 RC-IGBT를 적용해 대폭으로 소형화했다. 피트에 처음으로 채용하는 전압을 구동용 모터의 요구 전압으로 승압하는 VCU(Voltage Control Unit)나 지금까지 별체였던 DC-DC컨버터를 내장하면서 PCU의 체적을 10% 삭감했다.

이를 통해 선대 피트에서는 짐칸 밑에 배치했던 PCU를 엔진룸 안으로 옮길 수 있었다. 배선 케이블의 단축이나 공정 수의 삭감에도 공헌한 PCU를 개발한 것은 케이힌(Keihin)이다. 혼다에서 신형 피트의 PCU를 개발한 기술자는 “피트 이외의 신형 HEV에도 RC-IGBT를 탑재한 PCU를 채용해 나갈 방침이다”라고 말한다.

-- 도요타와 혼다가 파워반도체 전략을 전환 --
혼다나 도요타는 지금까지 SiC를 차세대 파워반도체의 ‘주역’으로 삼아 왔다. 도요타는 신형 ‘야리스’에 대한 탑재를 목표로 SiC 인버터의 개발을 추진해 왔다. 14년무렵부터 공공도로 시험을 반복하며 20년 이후에는 SiC를 파워반도체의 ‘주역’으로 삼는 전략이었다.

혼다도 SiC에 큰 기대를 걸고 있다. 16년에 발매한 소량생산 연료전지차(FCV) ‘Clarity Fuel Cell’에 SiC 파워반도체를 탑재하며 지식을 축적해 왔다.

그런데 왜 SiC에서 RC-IGBT로 전환한 것일까? 혼다의 인버터 기술자는 그 이유에 대해 “SiC는 성능 면에서는 상당히 매력적이었지만 비용이나 안정 공급의 문제를 해결할 수 없었다”라고 말한다. 이상을 추구할 수 있다면 SiC를 채용하고 싶지만 현실해인 RC-IGBT를 선택한 것이다.

“SiC의 웨이퍼는 (현재 최대 구경인) 6인치 제품이 8~11만엔으로, (파워반도체로 가공한 상태에서) Si의 몇 배는 높다”. SiC가 안고 있는 비용 문제를 분석하는 것은 시장조사회사인 후지경제의 미카미(三上) 씨다.

안정 공급에 대해서는 “SiC 웨이퍼 생산업체들은 증산 투자를 하고 있으며, 21년 무렵에 가동할 예정이다”(미카미 씨). 증산되는 SiC 웨이퍼는 유럽과 미국의 디바이스업체에 공급하기로 결정됐다. 일본에서 SiC 파워반도체가 보급되는 것은 아직이라고 한다.

-- 1칩화로 면적을 25% 삭감 --
이러한 이유 때문에 도요타나 혼다가 차세대 파워반도체로 이어주는 ‘연결고리’로서 RC-IGBT에 기대를 걸게 된 것이다. IGBT와 다이오드를 하나의 칩으로 한 것으로, 특히 소형화의 이점이 크다. 인버터나 승압 컨버터에서는 IGBT와 같은 트랜지스터와 다이오드를 세트로 이용한다. 지금까지 트랜지스터와 다이오드는 별도의 칩(소자)으로서 파워모듈에 실장되고 있었다.

차량탑재용 RC-IGBT를 양산하는 후지전기에 따르면, 1칩화에 의한 소형화의 효과는 “전압이나 전류에 따라 칩 면적의 삭감 효과는 다르지만 대략 25% 정도다”라고 말한다. 이를 통해 파워모듈이나 인버터의 소형화로 연결시킨다.

칩 면적의 삭감이 가능한 이유는 주로 (1)’가드링’ 영역을 삭감할 수 있다는 점과, (2)열저항을 낮출 수 있다는 점이다.

가드링은 칩 주변부에 설치하는 내압(耐壓)을 확보하는 영역을 말한다. 2칩 구성이었던 기존 제품은 IGBT와 다이오드 각각에 가드링이 필요했다. RC-IGBT에서도 가드링은 필요하지만 2칩 구성의 경우와 비교해 면적을 줄일 수 있다고 한다.

-- 스트라이프 구조로 방열 면적을 확대 --
열저항 저감에 대해서는 하나의 칩 내에 IGBT와 다이오드의 영역이 혼재하는 구조가 방열성을 높이는데 효과적이다. IGBT 작동 시에 발생한 열은 다이오드 영역에도 전달돼 방열 면적이 넓어진다. 반대의 경우도 마찬가지다. 다이오드 작동 시에는 IGBT 영역에서도 방열한다. 이 때문에 IGBT나 다이오드의 칩 단체와 비교하면 열저항이 낮아진다.

IGBT와 다이오드가 각각 작동할 때 열저항 저감 효과를 높이기 위해, 후지전기의 RC-IGBT는 IGBT 영역과 다이오드 영역을 스트라이프(줄무늬) 모양으로 번갈아 배치하는 구조를 채용했다.

IGBT와 다이오드의 각각의 특성을 최대한으로 끌어올리는 조건은 다르기 때문에 “1칩화할 때의 (스트라이프 모양의) 디바이스 구조나 제조 프로세스의 최적화에 기술적인 어려움이 있었다”(후지전기)

차세대 파워반도체로 이어주는 ‘연결고리’로서 실용화가 시작된 RC-IGBT. 차세대 파워반도체의 주역으로 주목을 받아 온 SiC는 열세다. 그러나 미국 테슬라를 비롯한 유럽과 미국의 고급차 업체를 중심으로 조금씩 채용되기 시작했다. 주도권 쟁탈이 열기를 띠고 있다.

 -- (후편)에 계속 --

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