전력 반도체란? 큰 전류와 높은 전압을 다루는 칩은 무엇을 할까

전력 반도체는 전력 소자라고도 하며, 아주 큰 전류와 아주 높은 전압을 스위칭하고 변환하는 일을 전문으로 하는 반도체 소자다. 전기를 한 형태에서 다른 형태로 바꾼다. 콘센트의 교류를 휴대폰에 필요한 직류로 바꾸고, 전기차 배터리의 전기를 모터로 보내고, 태양광 패널이 만든 전기를 전력망으로 보낸다. 영어로는 power semiconductor 또는 power device라고 한다. 여기서 ‘전력’은 다루는 전기가 많다는 뜻이지, 계산을 특별히 잘한다는 뜻이 아니다.

일반 칩과 무엇이 다를까?

휴대폰 프로세서 같은 칩 안에는 아주 작은 스위치가 100억 개 넘게 들어 있다(트랜지스터란?). 이 스위치들이 서로 연결되어 각 선의 전압이 높은지(1) 낮은지(0)를 정하며 계산을 한다(논리 게이트란?). 이런 칩에 필요한 것은 많고, 작고, 빠른 스위치다.

전력 소자는 칩 전체가 하나의 큰 스위치인 경우가 많다. 계산은 하지 않고, 다음 세 가지를 해내야 한다.

• 높은 전압을 견딘다: 꺼져 있을 때 양단의 전압 차가 수십 볼트에서 수천 볼트에 이를 수 있는데, 이를 견디지 못하고 파괴되어서는 안 된다.
• 큰 전류를 흘린다: 켜져 있을 때 수 암페어에서 백 암페어 넘게 흐를 수 있다.
• 스스로 열을 적게 낸다: 다루는 전기가 많아서 일부만 낭비해도 열이 많이 난다.

언제 켜고 언제 끌지는 옆에 있는 제어 칩이 지시한다. 전압이 낮고 전류가 작을 때는 스위치와 제어 회로를 한 칩에 함께 만들 수도 있는데, 많은 전원 관리 칩이 그렇게 만들어진다(아날로그 칩과 디지털 칩은 무엇이 다를까?).

콘센트에서 휴대폰까지, 전기는 몇 번 변환될까?

1. 콘센트: 교류다. 전류가 1초에 50~60번 방향을 바꾸며 오가고, 전압은 100V에서 200V 남짓이다.
2. 정류: 다이오드는 전기를 한 방향으로만 흐르게 해서, 오가는 전기를 한 방향으로 흐르는 직류로 바꾼다.
3. 잘게 자르고 전압 낮추기: 전력 MOSFET이 1초에 수만~수십만 번 켜졌다 꺼지며 직류를 짧은 조각으로 잘라 작은 변압기에 통과시켜 몇 볼트로 낮추고, 다시 매끄럽게 다듬는다. 왜 이렇게 빨리 자르는지는 뉴스에 나오는 ‘3세대 반도체’란? 참고.
4. 휴대폰 안: 배터리는 3~4V 정도이고 프로세서에 필요한 전압은 1V 안팎이라 한 번 더 낮춰야 한다.

정류부터 시작해 단계마다 전력 소자가 켜졌다 꺼지기를 반복한다. 전기차는 반대다. 배터리는 직류인데 모터에는 교류가 필요해서, 인버터(inverter)라고 부르는 스위치 묶음이 직류를 ‘잘라’ 교류로 만들고, 그러면서 회전 속도도 조절한다.

다이오드, MOSFET, IGBT는 각각 무엇을 할까?

다이오드: 전기를 한 방향으로만 흘린다

단자가 두 개뿐이고 따로 지시할 필요도 없다. 한쪽에서 전기를 밀면 통하고, 반대쪽에서 밀면 막는다. 그래서 정류에 가장 많이 쓰인다. 아래 두 가지 스위치 옆에 놓이는 경우도 많은데, 스위치가 꺼졌을 때 모터나 코일 안에서 바로 멈추지 못하는 전류가 흘러갈 길을 터 주어 전압이 지나치게 치솟지 않게 한다.

전력 MOSFET: 스위칭이 가장 빠르다

원리는 로직 칩 안의 트랜지스터와 같다. 게이트에 전압을 걸면 켜지고, 전압을 없애면 꺼진다. 다른 점은 크게 만든다는 것이며, 전류가 칩 앞면에서 뒷면으로 곧장 흐르는 구조가 많다. 스위칭이 빠르고 제어에 힘이 적게 들어 충전기, 전원 장치처럼 수백 볼트 이하인 곳에 가장 많이 쓰인다. 그러나 견뎌야 할 전압이 높을수록 전압을 견디는 층이 두꺼워져야 하고, 켜져 있을 때의 저항도 따라서 커진다(에피택시란?). 전압이 너무 높으면 경제성이 떨어진다.

IGBT: 고전압, 대전류

IGBT는 ‘절연 게이트 양극성 트랜지스터(insulated-gate bipolar transistor)’로, 전력 MOSFET 뒷면에 층을 하나 더 붙인 것으로 생각하면 된다. 마찬가지로 게이트 전압으로 제어한다. 다른 점은 켜져 있을 때 뒷면의 그 층이 전압을 견디는 층으로 전하를 띤 입자를 한 무리 더 들여보내, 그 층이 순식간에 전기가 잘 통하게 된다는 것이다. 그래서 수백~수천 볼트에 전류가 큰 곳에서 켜져 있을 때의 손실이 적어, 전기차, 전철, 공장의 대형 모터, 태양광·풍력 발전 설비에 많이 쓰인다. 대가는 꺼질 때 그 입자들이 빠져나가는 데 시간이 조금 걸려 스위칭이 느리다는 점이다. 대개 1초에 수천~수만 번이다.

전력 소자는 어디에 쓰일까?

• 충전기, 컴퓨터와 서버의 전원 장치: 교류를 직류로 바꾸고, 다시 전압을 낮춘다.
• 전기차: 모터를 제어하는 인버터, 차량 탑재 충전기, 충전 설비.
• 태양광, 풍력 발전: 태양광 패널이 만드는 것은 직류라서, 교류로 바꿔야 전력망에 보낼 수 있다.
• 모터와 가전제품: 에어컨, 냉장고, 세탁기, 그리고 공장의 펌프와 팬은 흔히 ‘인버터’ 방식으로 필요에 따라 회전 속도를 조절하는데, 여기에 필요한 것이 바로 전력 소자 묶음이다.

전기는 어디서 낭비될까? 효율은 왜 그렇게 중요할까?

전력 소자는 완벽한 스위치가 아니어서, 손실이 두 순간에 생긴다.

• 켜져 있을 때: 통하는 상태에서도 약간의 저항이 있다. MOSFET의 경우 전류가 두 배가 되면 열은 약 네 배가 된다.
• 스위칭하는 순간: 켜짐에서 꺼짐으로, 꺼짐에서 켜짐으로 넘어가는 짧은 순간에는 전압과 전류가 모두 0이 아니어서, 한 번 스위칭할 때마다 조금씩 손실이 생긴다. 자주 스위칭할수록 손실이 쌓인다.

효율은 들어간 전력 중 얼마만큼이 뒤쪽까지 전달되는지를 나타내며, 나머지는 열이 된다. 발전소에서 사용자의 손에 오기까지 전기는 여러 번 변환되고, 그때마다 조금씩 줄어든다. 효율을 조금만 높여도 아끼는 전기가 많고, 방열 장치도 작게 만들 수 있다.

왜 구세대 공정을 많이 쓰고, 크게 만들까?

큰 전류를 흘리려면 굵은 수도관처럼 전류가 지나갈 면적이 충분히 넓어야 한다. 높은 전압을 견디려면 전압을 견디는 층이 충분히 두꺼워야 한다. 두 가지 모두 ‘스위치를 작게 만드는’ 방향과 반대다. 그래서 전력 소자는 가장 미세한 선폭으로 경쟁하지 않는다. 중요한 것은 전압을 견디는 층이 얼마나 잘 성장했는지, 뒷면 접점이 얼마나 잘 만들어졌는지다. 이미 오랫동안 가동해 온 라인에서 만드는 경우가 많다(뉴스에서 말하는 ‘성숙 공정’이란?).

왜 대부분 실리콘이고, 탄화규소와 질화갈륨은 왜 쓰이기 시작했을까?

실리콘은 값싸고 공정이 가장 무르익어서, 전력 소자 대부분은 여전히 실리콘으로 만든다. 전압이 더 높거나 더 빠르게 스위칭해야 하는 곳에서는 탄화규소(SiC)와 질화갈륨(GaN)으로 바꾸기 시작했다. 이들은 훨씬 강한 전기장을 견딜 수 있어 전압을 견디는 층을 훨씬 얇게 만들 수 있다. 탄화규소는 전압이 더 높고 전력이 더 큰 곳에, 질화갈륨은 빠른 스위칭이 필요한 고속 충전기와 서버 전원 장치에 주로 쓰인다. 왜 고전압에 강한지, 왜 아직 실리콘을 대체하지 못했는지는 뉴스에 나오는 ‘3세대 반도체’란? 참고.

패키징과 방열은 왜 특히 중요할까?

낭비되는 그 작은 몫의 에너지는 모두 작은 칩 한 조각에서 나온다. 너무 뜨거워지면 소자가 고장 나거나 수명이 줄어든다. 그래서 전력 소자의 패키징(패키징이란?)은 열과 큰 전류에 특히 신경 쓴다.

• 다이 본딩에는 금속 솔더를 많이 써서 열이 칩 아래로 빠져나가게 한다.
• 전류가 크므로 와이어 본딩에 더 굵은 와이어를 쓰거나, 와이어 대신 금속판으로 연결한다.
• 대전력용은 전기는 절연하면서 열은 잘 전달하는 세라믹 기판에 칩 여러 개를 솔더링해 ‘파워 모듈’로 패키징하고, 그 아래에 방열판을 붙인다. 전기차에서는 수랭을 하는 경우도 많다.

켜졌다 꺼지고, 뜨거워졌다 식기를 반복하면 층마다 재료가 늘어나고 줄어드는 정도가 달라 솔더 조인트와 와이어가 서서히 당겨져 손상된다. 그래서 신뢰성 테스트를 특별히 한다(신뢰성 테스트란?).

fab24hr에서는

게임에는 전력 반도체가 나오지 않고, 게임 속 팹이 만드는 것도 전력 소자가 아니다. 그래도 ‘팹의 전기가 어디서 오는지’는 직접 볼 수 있다. ‘출근’을 누르고 ‘직장인의 하루’를 고른 뒤, ‘오늘 나는’ 카드에서 ‘양산 팹’을 누르고 좌우로 넘겨 인프라를 고른 다음, 이름 아래의 ‘전력’(Beta 표시가 붙어 있다)을 누르면 전력팀 엔지니어가 된다. 변전소에서 장비 한 대 한 대까지 나뉘어 가는 전기와, 정전 때의 무정전 전원 장치와 비상 발전기를 관리한다.

변전소의 변압기는 코일로 교류 전압을 높이거나 낮추며, 전력 반도체를 쓰지 않는다. 무정전 전원 장치의 배터리에 저장되는 것은 직류라서 내보내기 전에 교류로 다시 바꿔야 하는데, 이 일은 보통 전력 소자가 맡는다. 게임에서는 그 내부까지 그리지는 않았다. 심야 근무에는 중앙 제어실에서 전화가 와서, 전공정 구역에서 ‘전기 문제일까’ 묻는다고 전한다. 전압 기록을 보고 답해야 한다. 게임 속 팹, 인물, 장비 번호는 모두 허구다. 전력 반도체가 무엇인지는 공개된 일반 자료를 바탕으로 썼고, 전압과 전류는 규모만 적었다. 다른 업계 용어는 ‘반도체 공장 전문 용어, 쉬운 말로 풀이’에서 찾아볼 수 있다.