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태양광 인버터에서의 IGBT 및 SiC MOSFET 성능 비교

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글/스티븐 샤켈(Steven Shackell) 산업 비즈니스 개발 담당, 온세미

서론

국제 에너지 기구(International Energy Agency)에 따르면 태양광 발전(PV) 설비는 2030년까지 3,300 TWh의 설치 용량에 도달할 것으로 예상되며, 이는 2019년 수준에서 연간 15%의 증가율을 반영한 값이다. 마이크로, 미니, 유틸리티를 비롯한 모든 규모의 설치에는 유사한 태양광 발전 기술이 사용되고 있으며, 사용전압을 위해 직렬연결이, 높은 전력을 위해서는 병렬연결을 사용한다. 연결 및 배선에서 비례적으로 낮은 전류 및 낮은 전력 손실을 얻기 위해, 패널로 구성된 스트링(string)을 이용해 전압을 높이고 있는 추세이다. 일반적인 공칭 패널 설치 전압은 500V에서 1000V 수준이지만, 향후 1500V가 더욱 일반화될 것으로 전망된다. 

하나의 전체 인버터를 사용하기 보다는 확장성, 경제성 및 내결함성을 위해 각 스트링은 비교적 낮은 각각의 전력 인버터를 가지는 경우가 많다. 장비 내에서 PV 전압은 일반적으로 DC-AC 변환 단계의 입력에 적합하도록 조절된 DC 값으로 상승(부스트)되며 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 컨트롤러는 최고의 에너지 활용을 위해 패널의 부하를 최적화한다. 부스트 DC-DC 컨버터와 인버터는 고효율 스위칭 회로이며 채택된 반도체에는 다양한 기술을 사용할 수 있다.

태양광 발전을 위한 전력 변환 반도체 옵션

절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)는 과거 고전력 DC-DC 및 AC-DC 변환에 사용되었지만, 실리콘 카바이드(SiC) MOSFET 등 새로운 와이드 밴드갭(WBG) 반도체가 등장해 수십kW대까지의 사용 범위를 제공하게 됐으며, 병렬로 연결될 경우 이 범위는 더욱 높아진다. 두 기술 모두 TO-247과 같은 공통 패키지를 사용하는 별개의 디바이스뿐만 아니라 전력 통합 모듈(PIM)로도 이용 가능하다. PIM은 산업 표준 하우징에 다양한 스위치와 다이오드, 심지어 드라이버 및 보호 회로까지 통합한다. 이를 통해 컨버터와 인버터 기능이 하나의 패키지에 포함된 완벽한 전력 스테이지를 제공할 수 있다.

IGBT와 SiC MOSFET은 몇 가지 측면에서 확연한 차이를 보인다. IGBT는 동적 손실로 인해 낮은 스위칭 주파수로 사용이 제한되지만, 전도 동작시 전류에 비례하지만 비교적 일정한 IGBT 포화 전압(Vce_sat)에 의한 전력 손실이 발생한다. 반대로 SiC MOSFET은 낮은 동적 손실로 수백 kHz에서 사용할 수 있지만, 전도 동작시 일정한 저항(Rds_on)을 나타내며, 이는 전류 제곱에 비례하는 전력 손실을 초래하기 때문에 전력 증가에 취약하다. 그림 1은 50A 정격IGBT PIM과 38A SiC PIM의 전도성 손실에 대한 전압 강하를 보여주며, 다른 조건이 유사할 경우 그래프는 약 25A 지점에서 교차한다. 이 그래프는 애플리케이션의 일반적인 접합(Junction) 온도인 125℃를 전제로 한다.

동적 손실은 주파수에 따라 다르며, 그림 1의 IGBT와 SiC MOSFET을 동일한 저주파(대략 16kHz) 및 약 20A에서 30A 사이의 스위칭 주파수로 비교한다면 전도 손실은 비슷하지만 동적 손실은 매우 달라진다. 그림 2는 스위칭 손실의 두 가지 소스인 에너지 턴온(Eon) 및 턴오프(Eoff)를 보여준다. 앞서 언급했듯이 교차점이 있긴 하지만 Eon이 서로 비슷하며, 두 장치 유형 모두 도통 손실의 1/4 정도이고 IGBT의 경우 비교적 열세하지만 그렇게 큰 절대값상의 차이를 보이진 않는다. 반면 Eoff는 IGBT의 경우 ‘테일 전류(Tail current)’에 의해 훨씬 높다. 테일 전류는 턴오프시에 IGBT N drift영역에서의 소거로 인해서 컬렉터 전압이 상승하며 발생한다. 그림 2는 디바이스 유형 간의 Eoff에 대한 차이를 보여준다.

[그림 1] 125°C에서의 IGBT 및 SiC MOSFET PIM 전압 강하 비교

        

[그림 2] 16KHz에서 IGBT 및 SiC MOSFET의 동적 손실 비교

표 1은 16kHz 및 95℃에서 작동하는 입력 500V, 25A 및 DC 출력 800V의 일반적인 PV 부스트 컨버터에서의 차이점이다. SiC는 IGBT 회로의 약 3분의 1에 불과한 총 손실과 더 높은 신뢰성과 비교적 낮은 접점 온도를 제공하여 전반적으로 뚜렷한 전력 절감 효과를 보인다.

[표 1] 16KHz에서의 예시 부스트 컨버터 전력 손실 분석

높은 주파수에서 뛰어난 성능을 제공하는 SiC MOSFET

에너지 절약 외에도 SiC가 제공하는 향상된 효율성의 이점은 방열판의 크기와 비용 감소, 동일한 방열판의 온도상승 절감 또는 동일한 방열판 및 온도 상승에서의 더 높은 전력 처리량 등이 있다. 이것들은 모두 가치 있는 이득이지만, 추가로 SiC의 고주파수 특성을 활용하면 어떤 일이 일어날지 알아볼 필요가 있다. 40kHz의 SiC MOSFET과 16kHz의 IGBT를 비교하면 표 2의 수치를 얻을 수 있다.

[표 2] 손실 비교 - 16kHz에서의 IGBT 및 40kHz에서의 SiC MOSFET

이제 SiC 디바이스의 접합 온도는 더 높아졌지만, WBG 장치로서 일반적으로 실리콘보다 25℃ 더 높은 동작 정격을 가진다. SiC MOSFET의 결과는 여전히 IGBT 손실의 절반을 약간 넘기면서 비교적 상당한 효율성 이득을 보이고, 이 밖의 모든 이점은 상당 부분 앞에서 언급되었다. 한편, 주파수가 증가할수록 부스트 인덕터 값과 크기가 약 3분의 1까지 감소하여 결과적으로 시스템 비용, 크기 및 무게가 절약된다. 또한, 기본 주파수 및 낮은 고조파에서의 EMI 필터링은 추가적인 절감으로 더 작아질 수 있다. SiC MOSFET은 엣지(edge) 속도가 매우 빠르기 때문에 고주파 필터를 신중하게 고려해야 한다.

IGBT와 SiC MOSFET은 손실 외의 다른 측면에서도 차이점을 보인다. 예를 들어, IGBT에는 바디 다이오드(body diode)가 없지만 MOSFET에는 있다. 바디 다이오드는 스위치에서 역 또는 ‘3사분면’ 전도가 필요한 변환 스테이지에서 유용하다. SiC MOSFET 바디 다이오드는 순방향 전압 강하가 비교적 높음에도 불구하고 이러한 용도로 사용될 수 있다. 한편, IGBT의 경우 같은 용도로 사용하려면 별도의 병렬 다이오드를 추가해야 한다.

즉, 더 높은 주파수에서 SiC를 사용하여 얻게 되는 시스템상 이점이 PIM 단가 차이를 극복할 수 있게 한다. 또한 SiC MOSFET의 온저항(on-resistance)은 새롭게 출시된 차세대 제품을 사용함으로써 감소하며, 이를 통해 사용가능한 전력 수준은 증가하고, 더욱 폭넓은 애플리케이션에서 사용할 수 있게 한다.

SiC의 성능 활용을 위한 신중한 설계

IGBT 및 SiC MOSFET의 게이트 드라이브는 겉보기에는 비슷하지만, SiC 디바이스의 온드라이브(on-drive)는 전도 손실을 최소화하는 설계가 더욱 중요하며, 일반적으로 25V의 최대값에 가능한 한 근접해야 한다. 이러한 이유로 안전상의 마진을 어느 정도 줄 수 있는 20V가 종종 사용된다. 두 디바이스 유형 모두 0V 게이트 드라이브로 명목상 오프되어 있지만, 종종 수 볼트까지는 역방향으로 구동된다. 이는 더 작은 Eoff를 제공하고 턴오프 시 더 적은 게이트 소스 링잉(ringing)을 제공하며 게이트 드라이브 루프에서 흔히 발생하는 이미터 인덕턴스(emitter inductance) 및 소스의 스파이크로 인한 ‘팬텀 턴온(phantom turn-on)’을 방지하는 데 도움이 된다.

‘밀러’ 커패시턴스를 가지는 모든 디바이스는 높은 드레인(drain) 또는 콜렉터(collector) 전압 에지 레이트(dV/dt)로 장치를 오동작시키는 경향이 있다. 마찬가지로, 네거티브 게이트 드라이브는 문제를 예방하는 데 도움이 된다. 그림 3은 이러한 효과를 설명하고 있다.

[그림 3] 공통 소스 인덕턴스와 밀러 커패시턴스는 장치 턴오프에 대응할 수 있다.

SiC MOSFET은 IGBT보다 훨씬 더 높은 dV/dt 및 di/dt를 가지며 실제 회로에서는 신뢰할 수 없는 작동과 과도한 EMI를 피하기 위해 신중한 디커플링(decoupling)과 함께 고주파수 레이아웃 기술이 사용돼야 한다. 드라이버는 SiC MOSFET PIM에 가까워야 하고 MOSFET 소스에 대한 사용 가능한 ‘켈빈(Kelvin)’ 연결을 드라이버 리턴으로 사용하여 기생 인덕턴스를 방지해야 한다.

SiC MOSFET PIM 동적 성능의 정확한 측정은 빠른 엣지 속도로 인해 어려울 수 있으므로 보통 장비는 300MHz 대역폭과 고주파 측정 기술을 사용한다. 전압 프로브(probes)는 최소 접지 루프와 연결되어야 하며 로고스키(Rogowski) 코일과 같은 고성능 센서로 전류를 모니터링해야 한다.

결론

IGBT에서 SiC MOSFET으로의 전환은 전력 수준이 높아지는 상황에서 PIM이 간편한 솔루션을 제공할 수 있다는 측면에서 시스템 이점이 된다. 그러나 IGBT 사용이 익숙한 이들은 단순한 교체만으로는 좋은 결과를 얻지 못한다는 것도 알아야 한다. 최적의 성능을 얻으려면 게이트 드라이브 배열, 레이아웃 및 EMI 필터링을 다시 측정할 필요가 있다. 

[참고문헌] 

[1] https://www.iea.org/reports/solar-pv

[2] https://www.solarpowerworldonline.com/2018/11/high-voltage-solar-systems-save-contractors-cash/

leekh@seminet.co.kr
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