전기전자/정보통신

후지전기기보_21.4 특집 요약 (p225-227)

에너지 시스템의 개선 방향을 결정짓는 파워반도체
자동차의 전동화 및 에너지 매니지먼트에 공헌
덴마크 올보르대학 이공학부 에너지학과 Blaabjerg, Frede 교수

1. 파워 일렉트로닉스의 새로운 시대
파워 일렉트로닉스의 새로운 진화는 1950년대 중반, 실리콘 반도체 재료를 베이스로 한 사이리스터의 발명부터 시작되었다. 이후 사회에서의 기술 개발과 그 전개를 거쳐, 파워반도체는 성능 향상과 비용 삭감 면에서 명백하게 큰 발전을 이루었다. 회로의 개선과 함께 파워 일렉트로닉스를 베이스로 한 시스템은 진화를 거듭해 효율화, 고속화를 달성하면서 전력 밀도와 신뢰성이 향상되었다.

2. 용도의 확대
사회적인 메가 트렌드는 탄소중립이다. 많은 나라에서 2050년까지 탄소중립 실현을 목표로 하고 있다. 전력은 그 유연성과 높은 효율로 인해 중요한 역할을 담당하게 될 것으로 생각된다. 일부 사회 예측에 따르면, 에너지 믹스에서의 전력 비율이 2배 이상이 될 것이라고 한다. 파워 일렉트로닉스와 그 기본적인 반도체의 역할이 정말 중요해졌다.

지금까지 재생가능 에너지, 공업화나 자동화, 조명, 철도 수송, 컴퓨터용 전원, 송배전 등 다양한 분야가 그 기술을 견인해 왔다. 장기적으로는 EV/HEV, 데이터센터, 축전지 저장, 그리고 E-fuel(E연료)을 얻기 위한 Power-to-X의 보급은 파워 일렉트로닉스에 의해 제어 처리되는 kW~GW급 시스템이 대량으로 필요해질 전망이다.

3. 설계와 신뢰성
다행스럽게도 파워반도체는 계속적인 개선 시나리오가 검토되고 있다. 실리콘 디바이스와 와이드 밴드갭 디바이스의 양쪽에서 스위칭 속도, 내압, 동작 손실 면에서 성능이 향상되면서 전력 밀도도 상승, 최종적으로는 시스템 비용이 삭감된다. 반도체 칩도 작아지지만, 그 때문에 견고성의 문제를 해결할 필요가 생긴다. 그러나 요구도 엄격해지고 있다.

용도에 따라서는 라이프 사이클 퍼포먼스를 향상시키는 데 가동 시간을 현재보다도 대폭 연장할 필요가 있다(예를 들면, 재생가능 에너지에서는 가동 시간이 30년 이상 필요하다고 한다). 즉, 신뢰성의 과제에 대응하기 위해 장해의 근본 요인을 이해하는 것, 그리고 신뢰성을 부여하기 위한 설계에는 모델화가 필요하다.

파워 디바이스의 가능성을 최대한으로 활용하기 위해서는 높은 스위칭 속도와 높은 전력 밀도의 관점에서 전기와 열을 고려한 고도의 3D 회로 설계법이 요구된다. 또한 동작 온도가 높아지는 경향에 대응하기 위해 역시 신뢰성을 고려한 설계를 하기 위해서는 패키징을 포함해 컴포넌트를 신중하게 모델화해서 이해할 필요가 있다.

4. 표준화는 진행될 것인가?
파워 일렉트로닉스 제품의 대부분의 분야에서 중요한 기술 개발이 이루어지고, 지금은 표준화를 통해 비용이 상당히 최소한으로 억제되고 있다. 몇 개의 분야에서는 대량 생산이 이루어지고 있고, 대규모화를 통해 대폭적인 비용 삭감이 가능해졌다. 하나는 조명 분야에서 LED로 인해 퍼포먼스가 대폭 향상되고 나서 어느 정도 성숙해졌지만, 다른 전기제품에서는 1대당 비용이 상당히 낮기 때문에 기술의 대폭저인 향상은 보이지 않는다. 앞으로 몇 년간은 몇 개의 성숙한 분야를 볼 수 있을지도 모르지만 디바이스 기술의 향상이나 파워 일렉트로닉스의 용도 확장 속도가 빠르기 때문에 많은 분야에서 최종적인 표준화에는 이르지 못할 것이라고 전망한다.

동시에 지금까지 이상으로 많은 센서가 파워 일렉트로닉스 시스템에 사용되고, 시스템 동작의 최적화에 필요한 데이터 측정이 가능해진다. 그리고 이를 통해 스마트한 시스템 감시를 실현하게 되면서 상태 감시나 예방 보전을 통해 예기치 않은 장해를 회피할 수 있다. 이는 컴포넌트뿐 아니라, 예를 들면 시스템 내의 데이터 측정에 기초한 서비스와 같은 부가가치를 제품이나 엔드 유저에게 부여한다.

5. 시대의 변화에 적응할 있는, 학습 방법을 학습하는 커리큘럼
기술 개발의 진화로 인해 새로운 지식이 탄생하는 속도는 점점 빨라지고 있다. 그 때문에 현재 교육되고 있는 커리큘럼은 5~10년 이내에 시대에 뒤처질 가능성이 있다. 따라서 파워 일렉트로닉스의 가능성이나 그 관련 시스템을 포함한 설계 방법을 학생이 이해할 수 있도록 최적의 방법으로 교육하기 위해 전기공학 프로그램에 수정이 필요한지 여부를 항상 평가하는 것이 중요하다. 또한 경쟁력을 유지하기 위해서는 최종적인 설계가 상당히 중요하다.

하드웨어 설계와 시험 방법의 습득에는 실무 경험을 포함해 긴 시간이 걸리기 때문에 효율적으로 학생을 훈련하는 방법을 찾아낼 필요가 있다. 또한 커리큘럼 기간은 학생이 졸업할 때까지로 정해져 있다.

따라서 학생에게 기본적인 교육을 실시한 후에, 자기 스스로 더 공부하는 방법(학습 방법을 배우는)을 익힐 커리큘럼을 제창하고 싶다. 예를 들면, 올보르대학에서 기본적으로 모든 학습 프로그램에서 이루어지고 있는 문제 해결형 학습에서는 새로운 지식을 빠르게 이해하고 응용할 수 있는 능력을 배울 수 있다.

수십 년 앞을 내다보면, 파워반도체에서 작은 개량을 거듭해 나간다면 많은 사람들에게 큰 영향을 초래한다. 파워 일렉트로닉스 기술은 탄소중립 세계에서 중요한 역할을 하게 될 것이다.

 -- 끝 --