사진. 미쓰비시전기

일본의 미쓰비시전기가 최근 철도 등 대형 산업기기를 위한 고용량 전력반도체 모듈 ‘HVIGBT XB 시리즈’의 신제품으로, 정격 전압 3.3kV, 정격 전류 1500A 제품을 오는 5월 1일(목) 출시한다고 밝혔다. 이번 신제품은 전력 변환 효율과 신뢰성을 크게 향상시켜 다양한 환경에서 운행되는 철도차량이나 대형 산업기기에 탑재되는 인버터의 성능을 한층 끌어올릴 수 있을 것으로 기대된다.

최근 카본뉴트럴 사회로의 전환이 전 세계적인 과제로 떠오르면서, 전력을 효율적으로 변환하는 파워반도체에 대한 수요가 빠르게 증가하고 있다. 특히 철도차량이나 대형 산업기기에서는 고전압・고전류를 안정적으로 제어할 수 있는 전력반도체 모듈이 필수적이며, 실외와 같은 가혹한 환경에서도 견딜 수 있는 내습 성능이 중요한 요소로 부각되고 있다.

전력반도체 칩은 전력을 실제로 변환하는 ‘유효 영역’과, 전압을 안정적으로 유지하는 ‘종단 영역’으로 구성돼 있다. 일반적으로 습도가 높은 환경에서는 종단 영역을 넓혀야 하지만, 그렇게 되면 상대적으로 유효 영역이 줄어들어 성능이 떨어지는 문제가 존재했다. 이러한 트레이드오프를 해결하는 것이 전력반도체 기술에서 오랫동안 풀기 어려운 과제로 여겨져 왔다. 미쓰비시전기가 이번에 출시하는 파워반도체 신제품은 이러한 한계를 기술적으로 극복한 사례라고 볼 수 있다. 

미쓰비시전기는 자사가 개발한 RFC 다이오드와 CSTBT 구조의 IGBT 소자를 이번 모듈에 적용해, 스위칭 손실을 기존 제품 대비 약 15% 줄이는 데 성공했다. 이를 통해 인버터의 전력 변환 효율을 한층 높일 수 있게 됐다. 또한, 역회복 시 안전동작영역(RRSOA)내 내구량도 약 25% 향상돼, 인버터의 전반적인 내구성과 신뢰성이 더욱 강화됐다.

더불어, 칩의 종단 구조에도 획기적인 기술이 적용됐다. 반도체 영역의 간격을 점진적으로 넓어지도록 최적 배치한 자사만의 독자적이고 새로운 전계 완화 구조와 표면 전하 제어 기술을 활용함으로써, 종단 영역의 면적을 약 30% 줄이면서도 기존 제품 대비 약 20배 향상된 내습 성능을 확보했다. 이로 인해 고온다습한 환경에서도 인버터가 안정적으로 작동할 수 있다.

미쓰비시전기 관계자는 “이와 같은 성능 개선은 철도뿐만 아니라 다양한 산업 현장에서 인버터의 고효율화와 장기적인 안정 운용을 가능하게 하며, 궁극적으로는 탄소중립 실현에도 기여할 수 있을 것으로 기대된다”라고 밝혔다.