인공지능(AI) 데이터센터의 전력 수요가 급증하고, 전기차와 재생에너지 설비가 전 산업으로 확산되면서 전력 반도체 시장의 중심축이 SiC, GaN 등의 와이드밴드갭(WBG) 반도체로 옮겨가고 있다. 와이드밴드갭 전력반도체 시장에서는 TI, 인피니언, ST, 온세미, 울프스피드, 로옴 등 핵심 플레이어로 시장을 이끌고 있으며, 기술 개발 및 생산 확대에 힘쓰고 있다. 이에 와이드밴드갭 반도체 시장을 짚어봤다.
전력반도체가 전기차, AI 데이터센터, 재생에너지 장비처럼 전기를 많이 쓰는 제품의 성능을 좌우하는 핵심 부품으로 주목 받으며, 전력반도체를 이용하는 개발자들이 전력반도체 수명 예측과 이를 검증할 수 있는 기술에 대한 요구가 증가하고 있다. 이에 개발자가 꼭 알아야 할 핵심 포인트를 짚어봤다.
중동발 유가·가스 급등이 전력 생산비와 도매가격을 통해 산업 전반의 비용 구조를 흔들고 있는 가운데, 초저전력 전력반도체가 단순 부품 교체가 아닌 전력 아키텍처의 재설계로 에너지 비용과 탄소·효율 규제가 겹치는 구간에서 가장 확실한 비용 절감 수단으로 자리매김하고 있다.
초저전력 반도체 경쟁이 단순 ‘전류 최소화’를 넘어 연결·보안·AI·운영 효율을 전력 예산 안에서 함께 해결하는 시스템 경쟁으로 진화하고 있는 가운데 △대량 IoT(태그·비콘·ESL) △웨어러블·헬스케어 △스마트 미터링·산업 센서 △배터리리스(에너지 하베스팅) △장거리 IoT(자산추적·스마트시티) △초저전력 엣지 AI 등 세그멘트별로 초저전력 전력반도체 솔루션을 살펴보는 자리를 마련했다.
인피니언(Infineon Technologies)이 최근 발간한 백서 ‘Engineering modern intelligent home appliances’는 스마트 주방과 지능형 가전이 소비자의 편의성 요구뿐 아니라 지속가능성, 낮은 전력소모, 긴 제품 수명이라는 과제를 동시에 해결해야 한다고 짚는다. 특히 차세대 가전의 핵심 기술로 매터(Matter) 기반 연결성, WBG 전력반도체(실리콘카바이드(SiC)와 질화갈륨(GaN)), 고도화된 센서 솔루션이 부상하고 있다.
로옴의 750V 내압 SiC MOSFET이 AI 서버 전원용 배터리 백업 유닛(BBU)에 채용됐다. 생성형 AI 확산으로 서버 전력 수요가 커지면서 데이터센터 전원 구조는 고전압 직류 기반으로 이동하고 있다. 이번 채택은 고전압·고전력 환경에서 전력 손실과 발열을 줄여야 하는 BBU에 SiC 전력반도체가 적용된 사례다. 로옴은 SiC, GaN, 실리콘 기반 파워 디바이스와 아날로그 IC를 결합한 전원 솔루션을 통해 AI 서버 및 데이터센터 시장 대응을 강화할 계획이다.
ST마이크로일렉트로닉스가 AI 서버, 로보틱스, 산업용 전원공급장치, 스마트그리드 등에 적용할 수 있는 700V급 PowerGaN 전력반도체를 출시했다. 신규 제품군은 6A~29A 전류 정격과 53mΩ~270mΩ 수준의 RDS(on)을 제공하는 7종의 GaN HEMT로 구성됐다. ST는 낮은 전도 손실과 스위칭 손실, 고주파 동작 특성을 바탕으로 고전력 시스템의 전력 밀도 향상과 전원부 소형화를 지원한다는 계획이다.
전력반도체 시장에서 질화갈륨(GaN) 기술이 고효율·고속 스위칭 특성을 기반으로 다양한 산업으로 확산되고 있다. 디지털 전력 시스템과 AI 인프라 확대로 전력 효율 개선 요구가 커지는 가운데, 회로 설계 환경에서는 GaN 소자의 구조와 활용 방식에 대한 비교 분석도 이어지고 있다.
한국전기연구원(KERI) 차세대반도체연구센터 나문경 박사 연구팀이 충남대, 호리바에스텍코리아와 공동으로 SiC 전력반도체 ‘킬러 결함’의 내부 구조와 발생 원리를 규명하며, 전력반도체 제조 과정에서 발생하는 결함의 원인을 분석해 향후 고품질 생산 기술 개발에 활용될 것으로 보인다.
산업용 드라이브의 전력반도체 선택 기준이 흔들리고 있다. 전압과 용량만으로 소자가 정해지던 시절과 달리, 실리콘 IGBT 위로 SiC와 GaN 등 와이드 밴드 갭(WBG) 소자가 쏟아지면서 같은 출력대에서도 가격·크기·스위칭·신뢰성을 함께 저울질해야 하는 복합 선택이 됐다. 다보코퍼레이션 김이규 연구위원은 SiC와 GaN의 영역이 "뒤죽박죽 섞여 있다"며, 언젠가 SiC가 메가와트급 IGBT까지 대체할 것으로 내다봤다. 효율은 모터가 아닌 드라이브·모터·부하를 합친 시스템에서 갈리며, 배터리로 움직이는 휴머노이드·로봇 수요가 고효율·경량 WBG 채택을 견인한다. 인피니언은 전력·센서·제어·보안을 아우르는 포트폴리오와 22kW 레퍼런스 디자인으로 대응하고, 다보는 이를 한국 고객 솔루션으로 묶는다. 다만 전환을 따라갈 전력전자 인력 부족은 한국 시장의 숙제로 남았다.