최근 모터 구동 시스템 분야에서는 효율성, 신뢰성, 소형화가 중요한 트렌드로 자리 잡고 있는 가운데 SiC(실리콘 카바이드) MOSFET이 기존의 Si(실리콘) 기반 MOSFET을 점차 대체하며 핵심 기술로 부상하고 있다.

반도체 업계에 따르면 최근 산업 애플리케이션과 교통 수단들이 갈수록 전동화됨에 따라 이러한 애플리케이션의 중요한 요구 사항인 효율과 열 성능이 개선된 SiC 제품이 인기를 얻고 있는 것으로 나타났다.

SiC MOSFET은 산업용 모터 드라이브, 전기차 및 하이브리드 차량의 전력 부문, 전기차 인버터 및 산업용 전력 변환기 등 다양한 부분에 사용된다.

글로벌 마켓 인사이츠에 따르면 글로벌 SiC MOSFET 시장은 2023년 약 20억 달러에서 2032년까지 약 215억달러로 성장할 것으로 예상되며, 연평균 성장률(CAGR)은 30.1%로 분석되고 있다.

이중 모듈형 SiC MOSFET은 전체 시장에서 상당한 비중을 차지하며, 특히 고전력 애플리케이션을 중심으로 그 사용량이 빠르게 증가하고 있다.

지역적으로는 아시아 태평양 지역이 전체 SiC MOSFET 시장의 약 60%를 차지하며, 특히 한국, 중국, 일본에서 수요 증가가 두드러진다.

SiC MOSFET이 모터 구동에서 중요한 이유로는 SiC MOSFET은 Si MOSFET 대비 매우 낮은 온(On) 저항(Rds(on))과 빠른 스위칭 특성을 가져 이로 인해 전력 손실(스위칭 손실 + 전도 손실)이 크게 감소한다. 이는 특히 모터 드라이브에서 효율성 향상과 전력 소비 절감 효과로 직결된다.

또한 매우 빠른 스위칭 속도를 제공해 고주파 동작이 가능하다. 높은 스위칭 주파수를 통해 모터의 부드러운 제어, 노이즈 및 진동 저감, 시스템 크기 및 무게 감소 효과를 얻을 수 있다.

더불어 높은 온도에서도 성능 저하가 적다. 일반적으로 최대 접합 온도가 175∼200°C까지 가능해 높은 내열성 덕분에 방열 설계를 더 간소화할 수 있어 모터 구동 시스템의 전체 크기와 비용을 절감할 수 있다.

여기에 고전압(600V∼1,700V 이상) 시스템에서 탁월한 성능을 보이며, 특히 전기차나 산업용 모터 인버터와 같이 고전압 구동이 필수적인 분야에 매우 적합하다.

또한 SiC MOSFET은 빠른 스위칭 속도와 높은 효율성을 바탕으로 모터 드라이브 시스템 내 역률 보정(PFC) 회로의 성능 향상을 간접적으로 지원한다.

이를 통해 시스템의 크기를 줄이고 비용 효율성을 높이는 데 기여할 수 있다.

반면에 일반 Si MOSFET은 비교적 높은 전도 손실과 스위칭 손실을 줘 효율 저하 및 발열 증가를 야기하고, 스위칭 속도가 느리고 스위칭 손실이 커서 고주파 동작에 불리해 모터 제어의 정밀도와 효율성이 낮아진다.

일반적으로 125∼150°C가 최대 접합 온도이며, 이를 초과하면 급격히 성능이 떨어져 큰 방열판이나 냉각 시스템을 요구하여 시스템 크기와 비용이 증가한다.

더불어 일반 Si MOSFET은 고전압 응용에서 효율성과 스위칭 성능의 한계를 보여, 전통적으로 600V 이상의 고전압 애플리케이션에서는 주로 IGBT가 사용돼 왔다. 최근에는 SiC MOSFET이 이러한 IGBT의 영역을 빠르게 대체하고 있다.

세계적인 주요 SiC MOSFET 제조사로는 Wolfspeed, Infineon Technologies, ROHM Semiconductor, STMicroelectronics, onsemi 등이 있다.
 

울프스피드(Wolfspeed)는 SiC 전력 반도체 분야의 선두주자로 650V부터 3,300V까지 다양한 전압 범위의 제품을 제공한다.

높은 전력 밀도와 낮은 온 저항, 빠른 스위칭 속도를 통해 전기차, 산업용 인버터, 재생 에너지 분야에서 널리 사용되며, SiC 웨이퍼부터 디바이스까지 수직 통합 생산 체계를 갖추고 있어 품질 관리와 공급 안정성이 뛰어나다.

인피니언(Infineon Technologies)은 ‘CoolSiC™’ 시리즈로 유명하며, 650V부터 2,000V까지 다양한 제품을 보유하고 있다.

우수한 열 관리 성능과 높은 신뢰성으로 산업용 드라이브, 전기차 충전기, 태양광 인버터 등에 적합하며, 고전압 애플리케이션에 최적화된 설계로, 고효율과 고신뢰성을 제공한다.

로옴(ROHM Semiconductor)은 트렌치 구조의 4세대 SiC MOSFET을 개발해 낮은 온 저항과 높은 스위칭 성능을 실현했다.

전기차 파워트레인, 산업용 전력 변환기 등에서 높은 효율과 신뢰성을 제공하며, Hitachi Astemo와의 협력을 통해 전기차 인버터에 최적화된 솔루션을 제공한다.

ST마이크로일렉트로닉스(STMicroelectronics)는 ‘STPOWER’ 시리즈로 650V, 1,200V, 1,700V 제품을 제공하며, 전기차 및 산업용 애플리케이션에 적합하다.

높은 스위칭 주파수와 낮은 손실 특성으로 시스템 효율을 극대화하며, 고전압 시스템에서의 안정적인 동작과 열 관리 성능이 우수하다.

온세미(onsemi)는 ‘EliteSiC™"’ 시리즈로 고속 스위칭과 높은 열 안정성을 제공한다.

전기차 충전기, 태양광 인버터, 산업용 전력 시스템 등에서 높은 효율과 신뢰성을 보장하며, 고온 환경에서도 안정적인 동작을 위한 설계와 낮은 스위칭 손실을 실현했다.

마이크로칩(Microchip Technology)은 ‘mSiC™’ 시리즈로 1,200V 및 3,300V 제품을 제공하며, 고전압 애플리케이션에 적합하다.

우수한 게이트 산화막 안정성과 높은 단락 내성으로 산업용 시스템에서의 신뢰성이 높고, 장기간의 산화막 수명과 높은 내구성을 통해 시스템의 수명을 연장한다.

글로벌 SiC MOSFET 시장은 지속적으로 성장하고 있으며, 특히 산업용 모터 드라이브와 전기차 분야에서 채택이 빠르게 증가하고 있다. 높은 효율성과 신뢰성을 바탕으로 SiC MOSFET은 향후 모터 구동 시스템에서 더욱 핵심적인 역할을 맡을 것으로 전망된다.

앞으로 모터 구동 시스템의 혁신은 SiC MOSFET이 중심이 될 것이며, 이에 따라 기존 Si 기반 시스템의 점진적인 퇴장과 기술 전환은 불가피할 것으로 보인다.