전기차의 배터리 용량 확대 및 고전압 배터리 시스템 채용과 버스 및 트럭 등의 전기차 공급 확대에 따라 전기차 고전압 충전기 및 하이퍼 패스트 충전기 수요가 급증하며, 이에 따른 전력 반도체 수요가 증가하는 가운데 전기차 충전기의 신뢰성 향상 및 기술적 요구에 맞춰 SiC(실리콘카바이드) 전력반도체 수요가 급증할 것으로 예상되고 있다.

인피니언 테크놀로지스 코리아(Infineon Technologies)는 최근 e4ds EEWebinar를 통해 ‘전기차 충전 시장 트렌드 이해 및 인피니언 솔루션 소개’라는 주제로 웨비나를 진행했다.

웨비나 진행을 맡은 최시훈 인피니언 코리아 매니저는 인피니언의 전기차 충전기 시장 모델을 근거로 전기차 충전기가 2024년 48만7,000대에서 연평균 15% 증가하며, 2029년에는 신규 설치 대수가 98만3,000대까지 늘어날 것으로 전망했다.

이는 내연기관을 금지하는 CO2 제한 규정을 바탕으로 강력한 투자가 이뤄지고 있다는 점, 신재생에너지 시스템 ESS와의 결합요구가 증가하고 있다는 점과 상용트럭, 버스 등의 전동화 급증으로 보다 높은 전력의 전기차 충전기에 대한 수요가 증가하고 있다는 점을 근거로 들었다.

또한 이와 관련해 전기차 충전기용 전력반도체 수요가 2023년 2억4,600만달러에서 연평균 20% 성장해 2028년 6억1,100만달러의 시장으로 성장할 것이라고 밝혔다.

이렇게 성장하는 전기차 충전기는 기본적으로 실외에 설치되고, 이에 따라 가혹한 환경에 노출되게 되는데 목표된 충전사이클 및 라이프 타임의 신뢰성을 확보해야 하기 때문에 전기차 충전기의 개발 트렌드는 기본적으로 시스템 신뢰성을 높이는데 있다고 설명했다.

이에 따라 가혹 동작모드가 고려돼 개발되고 있으며, 또 하나의 개발 트렌드로 여러개의 서브 파워 유닛이 스택 형태로 쌓여서 하나의 파워시스템을 구성하는 형태로 확대되고 있다고 말했다.

이러한 개별 서브 유닛의 파워 용량 및 효율 증가, 와이드 레인지 아웃풋 설계로 인해 파워덴서티를 높이려는 노력도 있는데 이에 따라 기존의 실리콘 베이스의 MOSFET, IGBT 다이오드 적용에서 SiC 디바이스로 빠르게 이동하고 있다고 밝혔다.

SiC와 같은 와이드 밴드갭 디바이스를 적용하게 되면 기본적인 스위칭 특성 개선 뿐만 아니라 스위칭 프리컨시를 증가시킴으로써 회로내의 패시브 소자 사이즈를 줄이고, 회로의 전력 밀도를 향상 시킬 수 있다.

이러한 노력은 궁극적으로 시스템 무게를 줄이고, 파워 용량을 올림으로써 충전시간을 줄일 수 있는 이점이 있다.

400V 배터리를 충전하기 위해서는 전기차 충전기의 아웃풋 전압이 500V 이상이 돼야 하고, 이에 따라 파워 디바이스의 저압 레이팅은 650∼700V가 돼야 한다.

800V 배터리 시스템에서는 1,000V의 아웃풋 전압과 1,200V의 파워디바이스가 요구된다.

현재까지는 전기차의 배터리 용량에 따라 전기차 충전기 출력 전압이 결정됐지만 향후에는 전기차 충전기 출력 전압에 따라 전기차 배터리 전압 사양이 결정될 것으로 보고 있다.

이에 전기차 충전기 최대 출력 전압이 1,500V까지 올라간다면 전기차 배터리는 1,000∼1,200V까지 상승할 수 있고, 충전속도를 향상 시킬 수 있다. 이에 따라 파워디바이스는 2,000V 이상의 스펙이 요구된다.

이러한 스펙을 만족하기 위해서는 기존의 실리콘 기반의 반도체로는 감당하기 힘들고 SiC 반도체 채용이 증가할 것으로 예상된다.

SiC 반도체는 실리콘 대비 3배 높은 밴드갭으로 동일 온도조건에서 훨씬 낮은 리퀴지 커런트를 갖는데 리퀴지 커런트는 온도가 상승함에 따라 증가하게 되고, 이에 따라 실리콘 디바이스 대비 높은 온도조건에서 구동이 가능하다.

또한 실리콘 대비 7∼10배 높은 블랙다운 필드 스트렝스를 가져 더 낮은 칩 사이즈로 동일한 내압을 구현할 수 있다.

더불어 실리콘 대비 약 두 배 높은 일렉트론 드리프트 벨로써티 특성으로 빠른 스위칭 스피드 달성이 가능하다.

이외에도 실리콘 대비 3배 높은 서멀 컨덕티비티 특성은 뛰어난 방열 특성을 의미하며, 전기차 충전과 같은 가혹한 환경 동작조건에서 시스템 신뢰성 및 퍼포먼스 개선에 기여할 수 있다.

최시훈 매니저는 “전기차 충전과 같이 높은 온도 조건에서 동작하는 어플리케이션의 경우 SiC 적용시 컨덕션 로스를 최소화 함으로써 효율 향상에 기여할 수 있다”며 “전기차 충전의 소프트 스위칭 토폴로지에서 SiC 모스펫을 적용하면 회로 효율 및 전력밀도 향상에 기여할 수 있다”고 조언했다.