2026년까지 엄격한 CO2 배출 목표에 따라 전체 승용차에서 전기자동차/하이브리드 자동차(EV/HEV)가 차지하는 비중은 38%에 달하게 되며, 이는 다양한 반도체 기술과 전력소자가 5.6억 달러의 시장 기회를 얻게 된다는 것을 의미합니다. 2021년 전기자동차 전력전자기술 분야 시장조사업체 Yole Dedevelopment의 판단입니다.

전기차의 종류는 정말 많습니다.

EV든 HEV든 전기차든 xEV든요. 구체적인 분류는 다음과 같습니다.

               

마일드 하이브리드 전기 자동차(MHEV): 내연 기관(또는 열 모터)과 전기 모터를 사용하는 차량으로, 일반적으로 저전압 배터리가 장착된 10V(마일드 하이브리드) 차량을 포함하여 20~48kW 출력의 보조 ICE 모터를 사용합니다.

               

하이브리드 전기자동차(Full HEV, Strong HEV): 내연기관과 전기모터를 사용하는 자동차. 전기 모터는 모터에 높은 전력을 제공할 수 있는 고전압 배터리로 구동됩니다. 전력 범위는 70~170kW이며 배터리는 전력망에서 충전할 수 없습니다. 배터리 에너지 용량은 상대적으로 낮기 때문에(약 2-5kWh) E 모드의 주행 거리는 제한적입니다(수 킬로미터).

               

플러그인 하이브리드 전기 자동차(PHEV): 내연 기관과 전기 모터를 사용하는 자동차(풀 하이브리드와 같습니다). PHEV의 배터리는 전력망에서 충전할 수 있으므로 온보드 충전기와 충전 플러그가 포함되어 있습니다. 배터리 용량은 풀 HEV보다 크며, 보통 약 9kWh이다. 양방향 충전기를 사용하면 자동차를 V2G(Vehicle to Grid) 및 V2H(Vehicle to Home) 애플리케이션의 전원으로 사용할 수 있습니다.

               

EREV(Extended Range Electric Vehicle): "마일리지 익스텐더"라고 불리는 보조동력장치(APU)를 포함하는 배터리 전기자동차입니다. 이 소형 발전기는 일반적으로 내연기관(ICE)이지만 연료전지도 사용할 수 있습니다. 발전기는 차량의 모터에 전력을 공급하는 배터리를 충전합니다. 이러한 배열을 시리즈 하이브리드 파워트레인이라고 합니다. 주행거리 연장은 일상적인 사용에는 적합하지 않으며, 운전자가 다음 충전소까지 도달하기 위해 차량의 주행거리를 ​​연장해야 하는 경우에만 적용됩니다.

                               

연료전기자동차(FCEV, FCV 또는 수소전기차): 모터만 있고(ICE 모터는 없음), 일반적으로 수소전기차라고 부릅니다. 실제로는 연료전지 스택을 통해 수소로부터 전기를 생산하는 전기차다. FCEV에는 제동 에너지 회수 등과 같은 특정 기능을 달성하기 위한 배터리(또는 슈퍼 커패시터 뱅크)가 포함되어 있습니다. 배터리는 일반적으로 에너지 용량(수kWh)이 낮은 고전압 배터리입니다. 일부 FCEV는 더 깨끗한 주행을 달성하기 위해 더 큰 배터리(PHEV와 유사하게 전력망에서 충전할 수 있는 약 10kWh)를 사용합니다(충전 전기는 광전지 또는 풍력 에너지와 같은 청정 재생 에너지원에서 생성된다는 가정). FCEV의 양방향 충전기는 V2G 및 V2H 애플리케이션의 전원 공급 장치로 사용할 수 있습니다.

NEV(New Energy Vehicle): PHEV, BEV, FCEV 등을 포함하여 중국 정부에서 사용하는 용어입니다. 새로운 에너지 차량의 공식화는 국가가 발표한 정책을 보다 지속 가능하게 만들고, 더 많은 기술적 반복을 다루며, 원활한 전환을 달성하는 데 도움이 될 수 있습니다. 주기적인 조정 및 철회 메커니즘을 통해 기업은 지속적으로 새로운 기술을 시도하도록 장려됩니다. 전통적인 자동차의 경우 중국과 외국, 특히 엔진 사이에 큰 격차가 있어 기술 장벽이 높습니다. 미래에 외국 기술에 의해 제거되는 것을 피하기 위해 새로운 것을 만들고 외국과의 격차가 크지 않습니다.

최근 몇 년간 xEV 시장은 2050년까지 탄소 중립을 달성하겠다는 정부의 약속에 힘입어 빠르게 발전했습니다. 전기 자동차의 채택은 이산화탄소 배출을 줄이는 열쇠이며 OEM, Tier 1 및 전력 반도체 제조업체는 전기 자동차의 성장과 함께 발전할 것입니다.

xEV 애플리케이션에서 시스템 수준에는 메인 인버터 및 발전기, 부스트 컨버터, DC-DC 컨버터 및 차량 충전기가 포함됩니다. 패키지 유형에는 개별 및 전원 공급 장치 모듈이 포함됩니다. 전력소자로는 실리콘 MOSFET, 실리콘 IGBT, 실리콘 BJT(바이폴라 트랜지스터), 실리콘 카바이드(SiC)MOSFET, 질화갈륨(GaN)HEMT 등이 있습니다.

BEV는 고전압 기술을 선도합니다

다양한 국가의 엄격한 이산화탄소 배출 감소와 탄소 중립 목표로 인해 자동차 산업은 자동차의 전기화를 향한 큰 발걸음을 내디뎠습니다. 각 OEM은 특히 지역별로 서로 다른 전동화 전략을 갖고 있지만, 공통 목표는 자사 차량에서 BEV의 점유율을 늘리는 것입니다. 하이브리드 전기화는 탄소 중립이라는 장기 목표를 달성하지 못하더라도 향후 10~15년 동안 여전히 선택 사항입니다.

코로나19 전염병의 영향에도 불구하고 글로벌 전기화에 따른 BEV 기술은 여전히 ​​가속화되고 있으며 트랙션 인버터, DC-DC, OBC(온보드 충전기)와 같은 다양한 컨버터의 전력 전자 장치가 계속 증가하고 있습니다. /HEV 시스템이 48V로 전환되고 있고, 배터리 트렌드도 400V에서 800V로 변화하고 있다.

전기화의 선택은 컨버터 전력이나 배터리 용량의 기술 아키텍처 선택과 직접적인 관련이 있으며, 이는 다양한 차량의 성능 특성을 완전히 다르게 만듭니다. Yole은 향후 48년간 자동차에 XNUMXV 배터리가 추가되면서 MHEV 관련 전력반도체 시장이 지속적으로 성장할 것으로 예상하고 있다. 또한, 하이브리드 차량부터 BEV까지, 전동화 수준이 향상됨에 따라 각 차량의 반도체 탑재량이 증가할 것입니다.

실제로 BEV는 이 기술의 급속한 발전을 추진하고 있다. 이런 점에서 사용자는 비용을 절감하면서 더 짧은 충전 시간에 더 먼 거리를 주행해야 하는 것은 당연합니다. 주행거리를 ​​늘리는 방법에는 배터리 설계를 최적화해 에너지 용량을 늘리거나 인버터 효율을 높이는 등 여러 가지 방법이 있다. 한편, 배터리 충전 시간을 줄이기 위해 전 세계적으로 고출력 충전기(최대 350kW)가 보급되고 있다. 높은 전류 레벨과 관련된 문제를 피하기 위해 배터리 전압을 높이는 것이 개발 추세입니다. 배터리 전압을 현재 400V에서 800V로 높이면 보다 빠른 충전이 가능해 자동차 사용자에게 높은 부가가치를 제공할 수 있다.

실제로 포르쉐와 현대차는 이미 800V 배터리를 채택했고, 다른 회사들도 이를 따를 예정이다. 메인 인버터가 더 높은 전압에서 작동하므로 전력 반도체 구성 요소도 더 높은 정격 전압(보통 1200V V)을 가져야 합니다. 600V-750V 부품에서 1200V 부품으로의 전환은 일부 공급업체에 새로운 비즈니스 기회를 가져오는 반면 다른 공급업체의 비즈니스는 축소될 것입니다. 차량 전기화 선택과 다양한 기술 선택은 주요 OEM이 채택하는 다양한 전략으로 이어질 것입니다.

     

전기차의 주요 구동요소

전기 자동차의 주행 거리는 배터리뿐만 아니라 전체 전력 시스템의 효율성도 중요한 역할을 합니다. 베를린에 있는 Flawn Hof 신뢰성 및 마이크로 통합 연구소(IZM) 팀은 기존 방식보다 배터리와 모터 사이의 에너지를 더 효과적으로 변환할 수 있는 포르쉐 순수 전기 Mission E 전력 시스템용 전자 제어 장치 전력 인버터를 개발하고 있습니다. .

     

포르쉐 SiC 파워 인버터

업계 파트너의 연구원 및 전문가들은 특히 효율적인 SiC 반도체 트랜지스터를 사용하여 트랜지스터를 통해 흐르는 전류에 의해 소비되는 전력이 더 작은지 확인합니다. 각 SiC 장치는 약간의 에너지를 소비하고 냉각되어야 하기 때문에 최소한의 트랜지스터 수를 사용하기를 원합니다. 연구원들은 최고의 냉각 효과를 달성하기 위해 전력 인버터의 냉각 요소를 재설계했습니다. 이렇게 변속기 시스템을 최적화하면 전기차의 주행거리는 최종적으로 6% 증가하게 된다.

전력 모듈의 재질에 따라 팽창률이 다른 문제를 해결하기 위해 새로운 냉각 요소는 매우 얇은 금속판을 채택하여 가열 또는 냉각 중 약간의 변형으로 인한 응력을 보상하고 서비스 수명을 연장합니다. 전력 인버터 모듈의 스트레스를 줄이기 위해 냉각 요소와 SiC 트랜지스터로 구성된 구조는 균열을 방지하기 위해 유연한 얇은 구리선을 꼬아서 나머지 전자 시스템과 연결됩니다. 800V 고전압 시스템은 SiC의 고온 성능을 활용할 수 있는 곳임을 알 수 있다.

트랙션 인버터는 전력 전자 장치에 대한 큰 수요입니다.

EV/HEV에는 기본적으로 메인 인버터, DC-DC 컨버터, 발전기 및 OBC의 세 가지 유형의 컨버터가 있습니다. 높은 전력 수준으로 인해 메인 인버터는 컨버터에서 가장 큰 시장이며 전력 반도체 함량이 가장 높습니다. 이에 따라 주요 인버터 시장은 연평균 성장률 19.5%로 2026년까지 67억 달러 규모로 EV/HEV 컨버터 시장의 26.9%를 차지할 것으로 예상된다.

전력 반도체 시장의 경우 IGBT와 SiC 모듈 간의 심각한 기술 경쟁으로 인해 2020년부터 2026년까지 시장 규모가 XNUMX배 증가할 것으로 예상됩니다. 실제로 현재 SiC 모듈의 비용은 여전히 ​​650V IGBT 모듈의 약 8배 수준입니다. 하지만 생산량이 늘어나고 1200인치 웨이퍼로 전환되고 배터리 전압이 더 높은 XNUMXV 소자가 대중화되면 이 격차는 점차 줄어들 것입니다.

EV/HEV 공급망은 증가하는 수요와 기술 동향의 영향을 계속 받고 있습니다. 선도적인 EV/HEV 반도체 제조업체는 전력 애플리케이션을 위한 다른 반도체 제조업체(예: Infineon, stmicroelectronics, Hitachi, Mitsubishi Electric 및 Anselme)와 일치하지만 다른 회사(Tier 1, OEM, 전력 반도체 제조업체 및 순수 모듈 신규 업체) EV/HEV용 전원 모듈도 제공하고 있습니다.

배터리 설계 및 제조 분야에서도 비슷한 상황이 발생하고 있으며, Tesla 및 General Motors와 같은 OEM은 공급망을 더욱 통제하려고 노력하고 있습니다. OEM 수준의 경쟁으로 인해 두 가지 주요 경로가 열렸습니다. 하나는 성숙한 시장과 잘 알려진 브랜드를 보유한 전통적인 OEM이 비즈니스를 전기 자동차로 전환하고 있다는 것입니다. 한편, 세계 각지에서 순수 전기차 OEM 업체(Weailai, Rivian, Rimac, Tucki, Hezhong 등)가 등장하고 있으며, Tesla를 필두로 일부 업체는 해마다 급격한 판매량을 늘리고 있습니다. 출시된 새 모델은 일반적으로 더 나은 가격 대비 성능을 제공하므로 상위 10대 자동차의 판매량이 지속적으로 재편됩니다.

     

XEV 전력반도체 소자 시장(백만달러)

SiC, EV/HEV 레드카펫 위를 걷는다

이제 SiC를 사용하지 않는 자동차는 전기여행이라고 부르기도 민망해집니다. 특히 지난 몇 년간 Tesla가 Model 3 메인 인버터에 SiC를 도입한 이후 EV/HEV에 SiC가 탑재되면서 큰 반향을 불러일으켰습니다. 그러나 모든 컨버터나 모든 유형의 전기 자동차가 이 값비싼 재료에 적합한 것은 아닙니다.

긴 주행거리와 빠른 충전시간이 필요한 BEV가 SiC 채택의 승자임에는 의심의 여지가 없다. 따라서 컨버터 효율이 향상되면서 증가된 컨버터 비용이 보상되어 배터리 비용이 절감됩니다. 따라서 메인 인버터에 SiC를 적용하는 것이 주요 OEM의 공통 목표가 되었고, 다임러와 현대는 곧 이를 메인 인버터에 통합했다는 것은 놀라운 일이 아닙니다.

SiC 소자는 실리콘 소자에 비해 가격이 높지만, 배터리 비용을 절감하고 항속거리를 늘려 차량 전체의 비용을 효과적으로 절감하는 데 도움이 된다. SiC 인버터를 사용하면 차량당 약 $200를 절약할 수 있으며, 메인 인버터의 크기와 무게도 줄일 수 있습니다.

최근 인피니언, Cree(Wolfspeed), stmicroelectronics 등이 SiC 칩을 탑재한 일련의 장치를 출시했습니다. 많은 반도체 제조업체는 SiC 모듈을 전기 자동차 애플리케이션의 대상으로 간주합니다. 2026년에는 SiC 모듈 시장이 EV/HEV 반도체 시장의 32%를 차지할 것으로 추정된다.

     

SiC와 800V의 에코

OEM마다 SiC 채택 전략이 다르지만 Tesla는 SiC 기술로 성능을 크게 향상시켰으며, 800V 배터리 채택으로 SiC 사용도 늘어나며 더 많은 OEM이 뒤를 따르고 있습니다. 현재 Shanghai Volkswagen, Nissan, BYD, Beiqi New Energy 및 Geely는 모두 일부 모델의 OBC 및 DC-DC에서 SiC 장치를 사용합니다. Tesla, BYD, Yutong Bus, Geely 등은 모터 컨트롤러에 SiC 장치를 사용했습니다. Hongqi, Beiqi New Energy, Jianghuai Automobile, Hyundai, Honda, BMW, Audi 및 신차 제조사인 Weilai, Tucki, Ideality 등을 포함하여 더 많은 자동차 회사들이 메인 인버터에 SiC를 채택할 예정입니다. Bosch, Delphi, ZF, Valeo, Weipai Technology, Jingjin Electric 등을 포함한 많은 Tier 1 회사들도 SiC 전기 구동 계획을 발표했습니다.

한 가지 확실한 것은 기술이 좋든 나쁘든 응용 프로그램이 최고라는 것입니다. 자동차 분야에서 SiC 장치는 오랫동안 실리콘 기반 장치와 공존할 것입니다. 국산화 측면에서 보면, 국내 SiC 소자의 제조공정은 아직 외국과 어느 정도 격차가 있고, 특히 수율을 더욱 개선할 필요가 있다. 또 다른 핵심 질문은 자동차 회사가 감히 국산 기기를 사용할 수 있는지 여부입니다. 이는 어느 정도 용기와 과학적인 태도가 필요하며 도로에서 테스트하고 검증하는 데 시간이 걸립니다.

전동화 일괄 도입 가속화

일부 지역/도시에서 디젤 차량이 금지되고, SUV 차량에 대한 고객의 선호도가 높아지면서 차량 전동화 초기 전략의 실행이 가속화되고 있습니다. 폭스바겐의 '디젤 도어', '테슬라 효과', 중국 무공해 차량에 대한 인센티브, 배터리 비용 절감, 이산화탄소 배출 감소 목표, NEDC(New European Driving Conditions) →WLTP(Global Unified Light Vehicle Test Procedure) 등 코로나19 전염병은 모두 차량 전기화 과정을 촉진하고 있습니다.

     

차량 전동화 가속

현재 EV/HEV의 전력 전자 기술에서 메인 인버터는 전기화 유형 및 제조업체가 선택한 다양한 전력 수준에 따라 개별 장치 또는 모듈이 될 수 있습니다. 48-12V DC-DC는 기본적으로 80-100V 개별 장치입니다. HV-12V DC-DC는 기본적으로 500-650V 및 80-100V 개별 장치입니다. OBC는 기본적으로 600-650V 개별 장치입니다. 부스트 컨버터는 기본적으로 600V 개별 장치입니다.

     

각 xEV 유형에 사용되는 전원 장치

따라서 모듈, 특히 SiC 파워 디바이스 및 모듈은 도입 공간이 넓습니다. 일부 해외 OEM은 2018년부터 OBC에 SiC 쇼트키 배리어 다이오드와 MOSFET을 사용하기 시작했습니다. 그 후 시장 침투율이 지속적으로 증가했고, 이후 신뢰성 요구 사항이 더 높은 모터 컨트롤러와 메인 인버터로 전환했습니다. 이는 개별 장치에서 All-SiC 모듈로 전환하는 과정이기도 합니다.

수입 수요가 가장 높은 것은 항속거리가 긴 전기차다. 500년에는 주행거리 100km 이상 차량 모터 컨트롤러의 SiC 보급률이 2024%에 가까워질 것으로 예상된다. 500km 미만 차량의 전체 보급률은 40%에 달할 수 있습니다.

의심할 여지 없이 거의 모든 전기 자동차 OEM은 새로운 프로젝트 개발 계획에 SiC 장치의 적용을 포함했으며, SiC는 2025년 전기 자동차 시장에서 폭발적인 노드가 될 것으로 예상됩니다.

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