2025년 12월 02일·7분
Infineon과 전기차: 충전과 그 너머를 위한 전력 반도체
Infineon의 전력 전자 및 자동차용 반도체가 EV 트랙션 인버터, 온보드 차저, DC 급속 충전, 산업용 모터 드라이브의 효율과 신뢰성에 어떻게 영향을 주는지 핵심 용어와 함께 설명합니다.
Infineon의 전력 전자 및 자동차용 반도체가 EV 트랙션 인버터, 온보드 차저, DC 급속 충전, 산업용 모터 드라이브의 효율과 신뢰성에 어떻게 영향을 주는지 핵심 용어와 함께 설명합니다.
전기차의 주행 거리, 충전 속도, 장기 신뢰성에 관심이 있다면 결국 전기가 얼마나 효율적으로 변환되고 제어되는지가 핵심입니다. 이 역할을 하는 것은 반도체—특히 초고속, 고전류 스위치 역할을 하는 전력 반도체입니다.
Infineon이 중요한 이유는 이러한 에너지 흐름의 "문지기" 역할을 하는 부품을 대규모로 공급하는 주요 업체 중 하나이기 때문입니다. 스위칭 손실이 낮고 열 관리가 쉬우면 배터리의 에너지가 바퀴로 더 많이 전달되고, 충전 중 낭비가 줄며, 부품은 더 작아지거나 오래 지속될 수 있습니다.
실용적이고 비전문가용 개요로 다음의 핵심 구성요소를 설명합니다:
그 과정에서 연결고리를 보여드립니다: 더 높은 효율은 더 긴 주행거리, 짧은 충전 시간, 그리고 열 스트레스 감소—이는 신뢰성 향상의 주요 동인입니다.
두 범주를 구분하면 이해가 쉽습니다:
둘 다 중요하지만 전력 전자야말로 EV가 움직이고, 급속 충전기가 수백 킬로와트를 전달하며, 산업용 모터 시스템이 평생 동안 상당한 에너지를 절감할 수 있는 이유입니다.
전력 전자는 전기의 "교통 통제"입니다: 얼마나 많은 에너지가 이동하고, 어느 방향으로 가며, 얼마나 빨리 바뀔지 결정합니다. EV 인버터나 차저로 들어가기 전에 몇 가지 간단한 개념이 있으면 나머지를 이해하기 쉬워집니다.
EV가 가속하거나 급속 충전기가 전력을 올릴 때 전력 전자는 그 전력 전달을 관리하면서 가능한 한 적게 열로 낭비하려고 합니다.
전력 스위치는 에너지 흐름을 매우 빠르게 켜고 끌 수 있는 반도체 소자입니다—초당 수천~수백만 번. 빠르게 스위칭함으로써(예전 방식의 저항으로 흐름을 제어하는 대신) 시스템은 모터 속도, 충전 전류, 전압 레벨을 훨씬 높은 효율로 제어할 수 있습니다.
(Infineon과 다른 업체들은 이러한 소자들을 개별 부품으로도, 자동차·산업 환경에 맞춘 고전력 모듈로도 공급합니다.)
주요 손실 메커니즘은 두 가지입니다:
둘 다 열이 됩니다. 손실이 적을수록 보통 히트싱크가 작아지고, 냉각 시스템이 가벼워지며, 하드웨어가 더 작아집니다—공간, 무게, 신뢰성 여유가 제한된 EV와 충전기에서 큰 이점입니다.
EV 배터리는 에너지를 DC(직류)로 저장하지만 대부분의 트랙션 모터는 AC(교류)로 구동됩니다. 트랙션 인버터는 이 변환기입니다: 배터리의 고전압 DC를 정밀하게 제어된 3상 AC 파형으로 만들어 모터를 회전시킵니다.
간단한 사고 모델은 다음과 같습니다:
배터리(DC) → 인버터(DC→AC) → 모터(AC 토크)
인버터는 단순한 "전력 상자"가 아닙니다—주행 특성에 큰 영향을 미칩니다:
많은 EV 인버터는 여러 계층으로 구성됩니다:
설계 선택은 항상 비용, 효율, 소형화 사이의 협상입니다. 효율 향상은 냉각 요구를 줄여 더 작은 하우징을 가능하게 하지만, 보다 고급 소자나 패키징을 필요로 할 수 있습니다. 소형 설계는 더 우수한 열 성능을 요구하므로 견인, 반복 가속, 고온 환경에서 신뢰성을 유지해야 합니다.
사람들이 EV 충전을 이야기할 때 충전 포트와 충전소를 떠올리지만, 차량 내부에는 많은 작업을 수행하는 두 시스템이 있습니다: 온보드 차저(OBC)와 고전압→저전압 DC/DC 컨버터입니다.
OBC는 EV의 "AC 충전 컴퓨터"입니다. 대부분의 가정·직장 충전은 그리드에서 AC 전력을 제공하지만 배터리는 DC 전력을 저장합니다. OBC는 AC→DC 변환을 수행하고 배터리가 요구하는 충전 프로파일을 적용합니다.
기억하기 쉬운 분할 방식:
대형 고전압 배터리가 있더라도 EV는 조명, 인포테인먼트, ECU, 펌프, 안전 시스템을 위해 12 V(또는 48 V) 시스템에 의존합니다. DC/DC 컨버터는 주행 배터리 전압을 효율적으로 낮춰 보조 배터리를 충전합니다.
최신 OBC와 DC/DC 컨버터는 빠른 스위칭 반도체를 사용해 자기 부품(인덕터/변압기)과 필터의 크기를 줄입니다. 높은 스위칭 주파수는 다음을 가능하게 합니다:
여기서 소자 선택(실리콘 MOSFET/IGBT 대 SiC MOSFET)은 차저를 얼마나 컴팩트하고 효율적으로 만들 수 있는지에 직접 영향을 미칩니다.
OBC는 단순히 "AC를 DC로 바꾸는" 장치가 아닙니다. 또한 다음을 처리해야 합니다:
충전 전력이 높아지면 전류와 스위칭 스트레스가 증가합니다. 반도체 선택은 효율, 열 발생, 냉각 요구에 영향을 미치며 이는 지속 가능한 충전 전력을 제한할 수 있습니다. 손실이 적으면 동일한 열 예산 내에서 더 빠른 충전이 가능하거나, 더 단순하고 조용한 냉각 장치를 사용하게 됩니다.
외관상 DC 급속 충전은 단순해 보이지만 내부 캐비닛은 계층화된 전력 변환 시스템입니다. 속도, 효율, 가동 시간은 주로 전력 반도체와 이들이 패키징·냉각·보호되는 방식에 의해 결정됩니다.
대부분의 고출력 충전기는 두 가지 주요 블록을 가집니다:
두 단계 모두에서 스위칭 소자(IGBT 또는 SiC MOSFET), 게이트 드라이버, 제어 IC가 충전기를 얼마나 컴팩트하게 만들고 그리드와 얼마나 깨끗하게 상호작용하는지를 결정합니다.
1–2%의 효율 차이는 150–350 kW 구간에서는 의미가 큽니다. 효율이 높으면:
급속 충전기는 서지, 빈번한 열 사이클링, 먼지·습기·때로는 염분 대기 노출에 직면합니다. 반도체는 결함 차단, 전류/전압 모니터링, 고전압 전력과 저전압 제어 사이의 절연 경계 같은 빠른 보호 기능을 가능하게 합니다.
상호운용성과 안전은 절연 모니터링, 접지 결함 검출, 안전한 방전 경로 같은 신뢰할 수 있는 센싱과 결함 처리를 필요로 합니다. 이는 장치와 차량이 문제가 발생했을 때 전력 흐름을 신속히 중단할 수 있도록 돕습니다.
통합 파워 모듈(여러 개의 개별 부품 대신)은 레이아웃을 단순화하고 기생 인덕턴스를 줄이며 냉각을 예측 가능하게 만들 수 있습니다. 운영자에게는 모듈형 전력 스테이지가 서비스도 쉽게 해줍니다: 모듈을 교체하고 검증한 뒤 충전기를 빠르게 복구할 수 있습니다.
실리콘(Si)과 실리콘 카바이드(SiC) 전력 소자 중 선택하는 것은 EV와 충전기 설계자가 가지는 가장 강력한 레버 중 하나입니다. 이는 효율, 열 거동, 부품 크기, 심지어 차량의 충전 곡선 형태에도 영향을 줍니다.
SiC는 "와이드 밴드갭" 재료입니다. 간단히 말해, 높은 전기장과 고온을 더 잘 견뎌 누설 전류나 돌파가 덜 발생합니다. 전력 전자에서는 높은 전압을 더 낮은 손실로 막을 수 있고 더 빠르게 스위치할 수 있다는 뜻이며—트랙션 인버터와 DC 급속 충전에서 유용합니다.
실리콘(종종 IGBT나 실리콘 MOSFET 형태)은 성숙하고 널리 구할 수 있으며 비용 효율적입니다. 극단적인 스위칭 속도가 필요하지 않으면 잘 작동합니다.
SiC MOSFET는 보통 다음을 제공합니다:
이런 이점은 주행 거리 연장이나 더 적은 열 스로틀링으로 지속적인 고속 충전을 허용하는 데 도움이 됩니다.
IGBT 모듈은 많은 400 V 트랙션 인버터, 산업 드라이브, 비용 민감 플랫폼에서 여전히 인기가 있습니다. 검증된 내구성, 안정된 공급망, 그리고 스위칭 주파수가 실리콘을 과도하게 몰아붙이지 않는 경우 경쟁력 있는 선택입니다.
더 빠른 스위칭(= SiC의 강점)은 더 작은 자계 소자를 가능하게 합니다—온보드 차저, DC/DC 컨버터, 일부 충전기 단계의 인덕터와 변압기. 작은 자계 소자는 무게·부피를 줄이고 과도 응답을 개선할 수 있습니다.
효율과 크기 이점은 전체 설계에 달려 있습니다: 게이트 드라이빙, 레이아웃 인덕턴스, EMI 필터링, 냉각, 제어 전략, 운용 여유 등. 잘 최적화된 실리콘 설계가 잘못 구현된 SiC 설계보다 더 나을 수 있으므로 재료 선택은 시스템 목표에 따라 결정되어야 합니다.
전력 반도체는 단지 "올바른 칩"만 필요한 게 아닙니다. 높은 전류를 운반하고 시스템에 연결하며 열을 충분히 빨리 빼줄 수 있는 올바른 패키지—즉 물리적 형태가 필요합니다.
EV 인버터나 충전기가 수백 암페어를 스위칭할 때 작은 전기적 손실도 큰 열로 나타납니다. 그 열이 제대로 빠져나가지 못하면 소자는 더 뜨거워지고 효율은 떨어지며 부품 수명이 단축됩니다.
패키징은 두 가지 실무적 문제를 동시에 해결합니다:
그래서 EV급 전력 설계는 구리 두께, 본딩 방법, 베이스플레이트, 열 인터페이스 재료에 세심한 주의를 기울입니다.
디스크리트 소자는 보드에 장착된 단일 전력 스위치로, 비교적 낮은 전력 수준과 유연한 레이아웃에 유용합니다.
파워 모듈은 여러 스위치를 그룹화(때로는 센서 포함)해 고전류와 제어된 열 흐름을 위해 설계된 블록입니다. 개별 벽돌로 모두 쌓는 대신 미리 설계된 "파워 빌딩 블록"이라고 생각하면 됩니다.
EV와 산업 환경은 하드웨어를 혹독하게 시험합니다: 진동, 습기, 반복되는 열 사이클은 본드와 솔더를 피로시킬 수 있습니다. 강한 패키징 선택과 보수적인 온도 여유는 수명을 개선하고, 전력 밀도를 높이면서도 내구성을 유지하게 합니다.
EV 배터리 팩은 이를 감독하는 시스템만큼만 안전하고 유용합니다. 배터리 관리 시스템(BMS)은 팩 내부에서 무슨 일이 일어나는지 측정하고 셀 밸런싱을 수행하며 위험 상황에서는 빠르게 개입합니다.
고수준에서 BMS의 세 가지 역할은:
BMS의 결정은 정확한 센싱에 달려 있습니다:
작은 측정 오차가 누적되어 잘못된 주행거리 추정, 불균등한 노화, 또는 고속 충전 시 늦은 결함 감지를 초래할 수 있습니다.
고전압 팩은 제어 전자장치와 전기적으로 분리되어야 합니다. 절연(절연 증폭기, 절연 통신, 절연 모니터링)은 탑승자와 정비사의 안전을 지키고 노이즈 면역성을 높이며 수백 볼트 환경에서도 신뢰할 수 있는 측정을 가능하게 합니다.
기능 안전은 결함을 감지하고, 안전한 상태로 진입하며, 단일 고장점 회피를 설계하는 것입니다. 반도체 빌딩 블록은 자체 테스트, 중복 측정 경로, 워치독, 그리고 정의된 실패 보고 기능으로 이를 지원합니다.
현대 배터리 전자는 비정상적인 센서 판독을 표시하고, 개방 와이어를 감지하며, 절연 저항을 모니터링하고, 이벤트를 타임스탬프해 사후 분석을 가능하게 해—"문제가 있다"를 실행 가능한 보호 조치로 바꿉니다.
모터 드라이브는 공장에서 전기를 가장 많이 사용하는 분야 중 하나입니다. 회전, 펌핑, 이동, 압축 등 모션이 필요할 때마다 전력 전자가 그리드와 모터 사이에 있어 에너지를 제어된 토크와 속도로 형성합니다.
가변속 드라이브(VSD)는 일반적으로 입력 AC 전력을 정류하고 DC 링크에서 평활화한 다음 인버터 스테이지(주로 IGBT 모듈 또는 목표 전압·효율에 따라 SiC MOSFET)를 사용해 모터의 제어된 AC 출력을 생성합니다.
이 드라이브들은 펌프, 팬, 압축기, 컨베이어에 사용되며—이 장치들은 종종 장시간 가동되어 사이트의 에너지 비용을 지배합니다.
공정이 전체 출력이 필요하지 않을 때 정속 운전은 에너지를 낭비합니다. 밸브나 댐퍼로 스로틀링된 펌프나 팬은 여전히 거의 최대 전력을 소비하지만, VSD는 대신 모터 속도를 줄일 수 있습니다. 원심 부하(팬/펌프)에서는 속도를 조금만 줄여도 훨씬 큰 전력 감소를 얻을 수 있어 실질적인 효율 이득으로 이어집니다.
현대 산업용 전력 소자는 다음과 같은 실질적 개선을 제공합니다:
고품질 모터 제어는 보통 더 조용한 운전, 부드러운 시동/정지, 기계적 마모 감소, 더 나은 공정 안정성으로 이어지며—때로는 에너지 절감만큼 가치가 있습니다.
EV는 고립되어 있지 않습니다. 새로운 충전기들은 태양광, 풍력, 배터리 저장과 함께 그리드에 연결됩니다. 차량 내부에서 쓰이는 전력 변환 개념들은 태양광 인버터, 풍력 컨버터, 고정형 저장 장치, 충전소에 전력을 공급하는 장비에서도 적용됩니다.
재생에너지는 변동적입니다: 구름이 지나가고 바람이 불며 배터리는 충·방전을 반복합니다. 전력 전자는 이러한 소스와 그리드 사이의 번역기 역할을 하여 전압과 전류를 형태화해 에너지가 원활하고 안전하게 전달되도록 합니다.
양방향 시스템은 그리드 ↔ 차량(충전과 공급) 양쪽으로 에너지를 이동시킬 수 있습니다. 개념적으로는 동일한 하드웨어가 스위칭을 수행하지만, 전력을 내보내는 용도의 제어 및 안전 기능이 추가되어야 합니다. 차량-가정 또는 차량-그리드 기능을 사용하지 않더라도, 차세대 인버터와 충전기의 설계에 이 요구가 반영됩니다.
변환은 AC 파형을 왜곡할 수 있습니다. 이런 왜곡을 고조파라고 하며 장비를 가열하거나 간섭을 일으킬 수 있습니다. 역률은 장치가 얼마나 깨끗하게 전력을 끌어오는지를 측정하며 1에 가까울수록 좋습니다. 현대 컨버터는 액티브 제어로 고조파를 줄이고 역률을 개선해 그리드가 더 많은 충전기와 재생에너지를 감당하도록 돕습니다.
그리드 장비는 보통 수년간, 종종 야외에서 예측 가능한 유지보수로 운용되길 기대합니다. 이는 내구성 있는 패키징, 강력한 보호 기능, 빠르게 교체 가능한 모듈 부품으로 설계를 유도합니다.
충전이 성장함에 따라 변압기, 개폐장치, 사이트 수준 전력 변환과 같은 상류 업그레이드가 프로젝트 범위의 일부가 되는 경우가 많습니다.
전력 반도체(Infineon 모듈, 디스크리트 MOSFET, 전체 게이트 드라이버+센싱 에코시스템 등)를 선택할 때는 최고 스펙을 좇기보다 실제 운용 조건에 맞추는 것이 중요합니다.
초기에 비타협적 요구사항을 정의하세요:
Si 대 SiC를 결정하기 전에 제품이 물리적으로 무엇을 수용할 수 있는지 확인하세요:
더 높은 효율은 히트싱크 크기, 펌프 전력, 보증 리스크, 다운타임을 줄입니다. 유지관리, 수명 동안의 에너지 손실, 가동 시간 요구사항을 고려하세요—특히 DC 급속 충전과 산업 드라이브에서 중요합니다.
자동차·인프라 분야에서는 공급 전략도 엔지니어링의 일부입니다:
절연 조정, 기능 안전 기대치, 결함 처리, 감사를 위한 문서화 등 EMC·안전 작업에 시간을 예산에 포함하세요.
검증 산출물을 사전에 정의하세요: 효율 맵, 열 사이클링 결과, EMI 리포트, 현장 진단(온도/전류 추이, 결함 코드). 명확한 계획은 늦은 재설계와 인증 지연을 줄입니다.
하드웨어 중심 프로젝트도 결국 소프트웨어가 필요합니다: 충전기 플릿 모니터링, 인버터 효율 맵 시각화, 테스트 데이터 대시보드, 서비스 도구, 내부 BOM/구성 포털, 또는 다양한 변형의 열 강하 거동을 추적하는 간단한 앱 등. Koder.ai와 같은 플랫폼은 채팅 기반 워크플로우(계획 모드, 스냅샷/롤백, 소스 코드 내보내기)를 통해 이러한 지원 웹·백엔드·모바일 도구를 빠르게 제작하는 데 도움을 줄 수 있습니다. 이는 실험실 결과와 배포 가능한 내부 앱 사이의 "마지막 단계"를 단축하는 실용적 방법이 될 수 있습니다—특히 여러 엔지니어링 그룹이 같은 데이터를 서로 다른 형식으로 필요로 할 때 유용합니다.
전력 반도체는 현대 전기화의 근육이자 반사신경입니다: 에너지를 효율적으로 스위칭하고 정확히 측정하며 실제 환경의 열·진동·그리드 조건에서 시스템을 안전하게 유지합니다.
SiC가 항상 더 빠른 충전을 의미하나요?
자동으로는 아닙니다. SiC는 손실을 줄여 고전력을 더 오래 유지하는 데 도움이 되지만 충전 속도는 배터리 화학·온도, 충전기 정격, 그리드 제약 등 전체 체인에 의해 제한됩니다.
IGBT가 EV에서 구식인가요?
아닙니다. 많은 플랫폼이 여전히 IGBT 모듈을 효과적으로 사용하며, 특히 비용·검증된 신뢰성·특정 효율 목표가 중요한 경우 적절한 선택입니다.
신뢰성을 위해 가장 중요한 것은 무엇인가요?
접합 온도 여유, 패키지/모듈 선택과 열 경로, 좋은 게이트 드라이브 튜닝, 절연 완전성, 그리고 보호 기능(과전류/과전압/과온도)이 핵심입니다.
비교를 시작할 때 다음을 우선하세요:
전압 & 전력 수준 → 소자 클래스 결정(예: 400V vs 800V, kW 범위).
효율 목표 & 냉각 예산 → SiC 및/또는 개선된 패키징/열 경로로 유도.
EMI 제약 → 스위칭 속도, 게이트 드라이버 선택, 필터, 레이아웃에 영향.
비용 & 공급 전략 → 모듈 vs 디스크리트, 규격화 수준, 대체 소싱.
실제 주행 주기에서 더 높은 효율, 더 작은 냉각 한계(더 작은 냉각 시스템), 그리고 통합(스마트 파워 모듈, 고급 게이트 드라이버, 개선된 절연)이 설계 단순화와 성능 향상을 동시에 가져오는 방향으로 계속 발전할 것입니다.
Infineon은 EV, 충전기, 산업 장비에서 전력이 어떻게 흐르는지를 제어하는 전력 반도체의 주요 공급업체입니다. 손실이 적어지면 다음과 같은 이점이 생깁니다:
**전력 전자(파워 일렉트로닉스)**는 인버터, 온보드 차저, DC/DC 컨버터, 모터 드라이브처럼 전압·전류·열·효율을 다루는 반면, 신호/로직 전자는 제어, 통신, 센싱, 컴퓨팅을 담당합니다. EV 성능과 충전 속도는 대부분 전력 측면에서 생기는 손실과 열에 의해 제약됩니다.
트랙션 인버터는 배터리의 DC를 3상 AC로 변환해 모터를 구동합니다. 이 장치는 다음에 영향을 줍니다:
실전에서는 더 나은 스위칭과 열 설계가 지속 성능과 효율을 개선합니다.
전력 반도체의 “스위치”는 전류를 매우 빠르게 켜고 끕니다(초당 수천~수백만 회). 저항식 제어처럼 에너지를 낭비하는 대신 빠른 스위칭으로 전압과 전류를 정밀하게 형성해 더 높은 효율을 얻을 수 있으며, 이는 모터 제어나 충전, DC/DC 변환에 필수적입니다.
EV와 충전 하드웨어에서 자주 쓰이는 소자들:
많은 제품은 고전류 설계와 냉각을 위해 이러한 소자를 모듈로 통합합니다.
주요 손실 원천 두 가지:
이 두 손실은 모두 열로 바뀌어 더 큰 히트싱크, 액체 냉각 또는 출력 제한을 요구합니다. 효율을 개선하면 하드웨어 크기 축소나 동일한 열 예산 내에서 더 높은 지속 출력이 가능해집니다.
AC 충전에서는 차량 내의 **온보드 차저(OBC)**가 그리드의 AC를 배터리가 요구하는 DC로 변환합니다. DC 고속 충전에서는 스테이션이 AC→DC 변환을 수행해 DC를 직접 차량에 보냅니다.
실무적 의미: 가정/직장 충전 속도와 효율은 OBC 설계에 달려 있고, 현장 효율·열·가동 시간은 고속 충전기의 전력 스테이지에 좌우됩니다.
자동으로 그렇진 않습니다. SiC는 손실을 줄이고 더 높은 스위칭 주파수를 허용해 자계 소자(인덕터/트랜스포머)를 작게 만들 수 있지만, 충전 속도는 전체 체인에 의해 제한됩니다:
SiC는 높은 출력을 더 오래 유지하는 데 도움이 되는 경우가 많지만 배터리 자체의 한계를 넘지는 않습니다.
아니요. IGBT는 특히 400 V 트랙션 인버터, 많은 산업용 드라이브, 비용에 민감한 플랫폼에서 여전히 널리 사용됩니다. 검증된 신뢰성, 경쟁력 있는 성능, 그리고 성층화된 공급망 때문에 적절한 스위칭 주파수에서는 매우 합리적인 선택입니다.
신뢰성에 가장 중요한 요소들:
신뢰성은 보통 단일 부품이 아니라 시스템 레벨의 설계 규율에서 확보됩니다.