토요타 자동차, 신소재 활용 고효율 파워 반도체 개발

토요타 자동차는 (주)덴소, (주)토요타 중앙연구소와 공동으로, 새로운 소재인 SiC(실리콘 카바이트 : 실리콘과 탄소의 화합물 )에 의한 파워 반도체를 개발했다고 21일 밝혔다.

이 파워 반도체는, 하이브리드 차 등의 모터 구동력을 제어하는 파워 컨트롤 유닛(Power Control Unit )에 채용할 예정이며, 향후 1년 이내에 일반도로에서의 주행 실험을 시작할 예정이다.

이에 따라 현재의 실리콘 파워 반도체와 비교해서 토요타 하이브리드 모델의 연비는 10%의 대폭 향상, PCU는 1/5의 소형화를 목표로 한다고 토요타측은 설명했다.

PCU는 주행 시에는 배터리의 전력을 모터에 공급함으로써 속도을 제어함과 동시에, 감속 시에는 재생한 전력을 배터리에 충전하는 등, 하이브리드 기술의 전력 이용에서 중요한 역할을 담당하고 있다.

한편, PCU는 하이브리드의 차량 전체 전력 손실의 약 20%를 차지하고 있어, 파워 반도체의 고효율화, 즉, 전류를 흘려 보낼 때의 저항을 감소시키는 것은 연비 향상의 핵심 기술중의 하나였으며, 토요타는 1997년의 1세대 프리우스 출시 때부터 파워 반도체의 자체 개발을 통해 하이브리드의 연비 향상에 노력해 왔다.

SiC는, 실리콘보다 고효율화가 가능한 반도체 재료이며, 토요타 그룹에서는, 1980년대부터 토요타 중앙연구소, 덴소가 기초 연구를 시작, 2007년부터는 토요타도 참여해 실용화를 향한 기술개발을 공동으로 진행해 왔다. 토요타는, 이번에 3사에서 공동 개발한 SiC 파워 반도체를 채용한 PCU를 HV의 시험제작차에 탑재, 테스트 코스에서 실시한 주행 실험에서, 5%가 넘는 연비 향상을 확인했다.

또, 2013년 12월에는, 전자 제어장치나 반도체 등의 연구 개발 및 생산의 거점인 히로세 공장 내 에, SiC 전용의 반도체 개발을 위한 클린 룸을 정비했다.

향후, 한층 더 고효율화를 진행시켜 장래적으로는 10%의 대폭적인 연비 향상을 목표로 한다. 또, SiC 파워 반도체에는 전류를 흘려 보낼 때의 저항이나 전류를 흘려 보내거나 멈추거나 하는 온 오프 시(스위칭)의 손실이 작다고 하는 특징이 있고, 고주파화해도 효율적으로 전류를 흘려 보낼 수 있다. 이 성능을 충분히 끌어냄으로써, PCU의 체적의 약 40%를 차지하는 코일, 콘덴서의 소형화가 가능해져, PCU의 현행 대비 1/5의 소형화를 목표로 한다.

토요타는 HV를 포함한 전동 차량의 연비 향상에서, 엔진이나 공기역학 성능 등의 개선은 물론, 파워 반도체의 고효율화도 중요 기술로서 개선에 박차를 가하고 있으며, 앞으로는 현재 참여하고 있는 국가 프로젝트*1 에서의 성과를 도입하면서, SiC 파워 반도체의 조기 실용화를 향해 개발을 강화해 나갈 것이다.

또한 본 기술은, 5월 21일(수)~23일(금)까지의 3일간, 요코하마시의 파시피코 요코하마에서 개최 되는 “사람과 자동차의 테크놀로지전 2014”에 출품될 예정이다.