파워 모듈이란?
파워 모듈은 여러 개의 파워 반도체를 조합하여 전원 관련 회로를 하나의 패키지 모듈로 집적화한 제품을 말합니다.
IC(반도체 집적회로) 안에 필요한 기능을 모아 저전력 설계를 하고 최적화를 통해 공장 등에서 사용되는 산업기기, 대형 백색가전, 자동차, 철도, 신에너지 등 폭넓은 분야에서 사용되고 있습니다. 분야에서 사용되고 있습니다.
현재도 파워모듈 관련 시장 규모는 빠르게 성장하고 있는 상황입니다.
파워모듈의 사용 용도
파워모듈의 가장 친숙한 사용 사례는 에어컨, 냉장고, 세탁기 등에 탑재되는 ‘인버터’이다. 이 인버터는 주파수를 변환하여 모터의 회전수를 제어할 수 있습니다.
모터의 회전수를 자유자재로 변경함으로써 불필요한 움직임을 줄여 에너지 절약에 기여할 수 있습니다. 반면, 인버터가 탑재되지 않은 에어컨은 모터를 켜고 끄는 것만 가능하기 때문에 에어컨을 켜고 끄는 극단적인 동작을 반복해 불필요한 전력을 소비하게 됩니다.
인버터는 모터의 회전수를 제어하는 용도, HEV나 EV와 같은 전기자동차에도 활용되고 있습니다. 자동차의 구동은 단순히 켜고 끄는 것뿐만 아니라 타이어가 공회전하는 것을 감지하고 제어하는 것이 중요합니다.
이 제어가 이루어지지 않으면 자동차는 미끄러지게 된다. 눈이 많이 내리는 지역에서는 타이어에 안전하고 효율적으로 힘을 가해야 하므로, 모터의 전력을 매우 세밀하게 제어하는 것은 특히 EV와 HEV에서 매우 중요하고 필수적인 요소입니다.
파워 모듈의 원리
파워모듈은 필요한 전원 용도에 최적화된 다수의 파워 트랜지스터를 바이어스 구동 회로와 함께 IC화한
것을 주변 부품과 함께 모듈화하여 전원 동작 시 내압과 스위칭 속도 및 효율을 향상시키고 있습니다. 또한, 패키지 및 기판의 방열성 등을 고려하여 사용 편의성을 높인 것이 특징입니다.
파워 모듈에 널리 사용되는 전력 반도체 중에서도 파워 트랜지스터는 가장 응용 범위가 넓어 반도체 및 소재 업체를 중심으로 기술 개발이 활발히 이루어지고 있는 상황입니다. 파워 트랜지스터에는 다음과 같은 여러 가지 반도체 소자가 있습니다.
1. 바이폴라 트랜지스터
바이폴라 트랜지스터는 구조가 간단하고 큰 전력을 처리할 수 있는 대신 스위칭 속도가 느리고 소비전력이 크다는 단점이 있어 최근에는 파워 모듈 용도의 주력으로 사용되지 않고 있습니다.
2. 파워 MOSFET
파워 MOSFET(FET: Field Effect Transistor)은 가장 빠른 스위칭이 가능하고 소비전력이 적다는 장점이 있지만, 큰 전력을 다루기 어렵다는 단점이 있는 소자입니다.
3. IGBT
1980년대에 개발된 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor: 절연 게이트형 바이폴라 트랜지스터)는 큰 전력을 처리할 수 있습니다. MOSFET에 비해 크게 뒤떨어지지 않는 스위칭이 가능합니다. 회로 구성은 MOSFET과 BJT(Bipolar Junction Transistor)를 합친 것과 같은 구성으로 되어 있습니다.
파워모듈의 기타 정보
1. 차세대 파워모듈 동향
차세대 파워모듈용 소자로 최근 SiC-MOSFET이 주목받고 있는데, SiC 기판은 Si 기판에 비해 밴드갭 에너지가 크고 내압을 얻을 수 있는 물성을 가지고 있으며, MOSFET도 SiC 기판으로 제작하면 대전력화가 가능합니다.
IGBT는 Si 기판에서도 큰 전력을 처리할 수 있지만, 바이폴라 구조로 인해 스위칭 속도를 높이기 어렵다는 문제점이 있어, 대용량의 스위칭 속도가 빠른 소자인 SiC-MOSFET이 현재 차세대 파워 모듈용으로 각광받고 있습니다.
그동안 SiC 기판의 약점이었던 양산성도 기술 혁신에 따라 6인치 기판을 취급할 수 있는 기판 업체가 등장하면서 극복되고 있습니다.
2. EV의 파워 모듈
자동차의 EV화가 가속화되고 있는 요즘, 파워모듈의 필요성이 점점 더 높아지고 있는데, EV에서 리튬이온 배터리의 전압은 충전 시간과도 관련이 있기 때문에 고속 충전을 통한 충전 시간 단축을 목표로 하고 있으며, 또한 EV의 엔진에 해당하는 파워트레인의 효율을 높이기 위해 효율화를 위해 현재 400V 정도의 전압에서 예를 들어 800V와 같은 더 높은 전압이 요구되고 있는 상황입니다.
고전압에서 차량용 모터를 제어성 있게 다루기 위해서는 인버터 회로에서 발생한 교류 전류를 빠르게 스위칭하는 것이 중요하며, 이를 위해 파워 디바이스나 파워 모듈이 사용되고 있습니다.