HVDC용 전력반도체 – IGBT, SiC, IGCT의 기술 비교

목차

1. HVDC 시스템과 전력반도체의 관계

2. IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) - 범용성과 안정성

3. SiC (Silicon Carbide) - 차세대 전력반도체의 핵심

4. IGCT (Integrated Gate Commutated Thyristor) - LCC 기반 시스템의 핵심

5. 기술 비교 요약

6. 산업 및 시장 영향 분석

 

1. HVDC 시스템과 전력반도체의 관계

HVDC(High Voltage Direct Current) 시스템은 전기를 초고압 직류로 변환하여 장거리 전송한 뒤, 다시 교류로 변환해 사용하는 방식입니다.
이러한 변환 과정을 가능하게 해주는 핵심 구성 요소가 바로 전력반도체(Power Semiconductor)입니다.

 

HVDC용 전력반도체

 

HVDC 컨버터(Converter)는 대용량 전력을 빠르고 정밀하게 제어해야 하며, 이 역할을 수행하는 핵심 디바이스로 IGBT, SiC, IGCT 등이 사용됩니다.
각 반도체 소자는 전기적 특성, 내전압, 스위칭 속도, 열 특성 등에서 차이를 보이며, HVDC의 용량, 목적, 제어 방식에 따라 선택됩니다.

2. IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) – 범용성과 안정성

IGBT는 가장 널리 쓰이는 전력반도체 중 하나로, MOSFET의 빠른 스위칭 특성과 BJT의 고전류 처리를 결합한 구조입니다.
HVDC를 포함한 다양한 전력전자 장치에서 채택되며, 특히 VSC(Voltage Source Converter) 기반 HVDC 시스템에서 핵심 소자로 활용됩니다.

주요 특성

• 고속 스위칭: PWM 제어에 적합 (수십 kHz 가능)
• 고전압 대응: 1200V~6500V 이상까지 상용화
• 온도 안정성 우수: Junction 온도 최대 150℃ 이상
• 게이트 제어 용이: 낮은 구동 전류 필요

HVDC 적용 사례

• 독일 북해 BorWin 프로젝트 (VSC-HVDC)
• 한국 LS ELECTRIC의 VSC 변환기
• Hitachi Energy HVDC Light 플랫폼

IGBT는 기술 성숙도와 안정성 측면에서 우수하지만, 스위칭 손실과 정전압 강하 특성에서는 단점이 존재하며, SiC 등장 이후 고속 시스템에서는 점차 대체되는 추세도 보입니다.

 

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3. SiC (Silicon Carbide) – 차세대 전력반도체의 핵심

SiC는 실리콘(Si) 대비 밴드갭이 넓고 열전도율이 높으며, 전자 이동 속도가 빠른 화합물 반도체입니다.
최근 고압·고속 스위칭이 필요한 전력전자 시스템에서 주목받고 있으며, 차세대 HVDC 변환장치의 핵심 소자로 부상 중입니다.

주요 특성

• 고속 스위칭 손실 최소화: 수십~수백 kHz 이상 제어 가능
• 높은 내전압: 10kV 이상도 가능
• 작은 패키지로 높은 전력 처리
• Junction 온도 200℃ 이상 작동 가능
• 내열성 및 내방사선성 우수

HVDC 관련 동향

• 해상풍력용 VSC-HVDC 컨버터에 시범 적용 중
• Tesla, Siemens, Mitsubishi Electric 등 SiC 기반 HVDC 개발 중
• SiC MOSFET을 사용한 Full-Bridge 구성 확산

SiC는 특히 IGBT 대비 스위칭 손실이 적고, 냉각 시스템을 간소화할 수 있다는 장점으로 인해,
경량화가 필요한 해상 송전용 VSC-HVDC 시스템에 적합합니다.
다만, 단가와 신뢰성 확보가 여전히 과제로 남아 있어 IGBT와의 하이브리드 적용도 많습니다.

 

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4. IGCT (Integrated Gate Commutated Thyristor) – LCC 기반 시스템의 핵심

IGCT는 기존의 SCR(사이리스터)와 IGBT 기술의 중간적 특성을 가지며, 고속 스위칭이 가능하면서도 고전압·고전류에 특화된 전력반도체입니다.
특히 LCC(Line Commutated Converter) 기반 HVDC 시스템에서 주로 사용되며, 내구성과 신뢰성 중심의 시스템 설계에 적합합니다.

주요 특성

• 고전류 용량: 수 kA 이상의 전류 처리
• 내전압 수십 kV 가능
• 낮은 전도 손실
• 구동 회로 단순화 가능

적용 예시

• 중국 서전동송(西电东送) 프로젝트
• 국가 간 초장거리 HVDC (500kV 이상)
• ABB의 IGCT 기반 LCC 컨버터

IGCT는 매우 큰 용량을 안정적으로 처리할 수 있어 수천 MW 단위의 전력 이송에 유리하지만,
스위칭 속도가 낮고 양방향 제어가 어려운 구조이기 때문에, 최근 부상하는 VSC 기반에는 잘 맞지 않습니다.

 

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5. 기술 비교 요약

구분, IGBT, SiC, IGCT

 

사용 전압	1.2kV ~ 6.5kV	1.7kV ~ 10kV 이상	4.5kV ~ 10kV 이상
스위칭 속도	중간 (수 kHz)	매우 빠름 (수백 kHz)	느림 (수백 Hz ~ kHz)
손실 특성	중간	매우 낮음	낮음 (전도 손실 중심)
열 특성	안정적	우수	우수
사용 시스템	VSC-HVDC	고속 VSC, 고효율 시스템	LCC-HVDC
단가	비교적 저렴	고가 (점차 하락 중)	중간 수준

 

이 표를 기준으로 각 시스템의 요구 특성에 따라 최적 소자를 선택할 수 있습니다.

 

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6. 산업 및 시장 영향 분석

⮞ 전력반도체 수요 급증

• 2030년까지 HVDC 확장과 전력전자 장비 고도화로 전력반도체 수요 폭발
• IGBT → SiC로의 전환 본격화

⮞ 국내 기업 동향

• 한온시스템, LS ELECTRIC, DB하이텍 등 IGBT 기반 HVDC 부품 개발
• SK실트론, LG이노텍, ROHM코리아 등 SiC 웨이퍼 및 디바이스 투자 확대

⮞ 글로벌 기업 투자 확대

• Infineon, STMicroelectronics, Mitsubishi, Hitachi Energy 등
  : HVDC용 고전압 전력반도체 전용 공정 투자
  : SiC 생산 라인 증설 중

전력반도체는 HVDC뿐 아니라 전기차, ESS, 철도, 스마트그리드, 수소 플랜트 등 다양한 응용처와 겹치므로,
반도체 소재·패키지·설계 IP까지 고도화된 생태계가 요구되고 있습니다.

 

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결론

HVDC와 전력반도체, 미래 전력망의 핵심 축

HVDC 시스템의 기술 발전은 단순한 전송 효율 향상을 넘어서, 전력반도체 기술의 진화에 직접적인 영향을 주는 핵심 산업입니다.
IGBT는 안정성과 범용성, IGCT는 대용량 견고함, SiC는 차세대 고효율 시스템에 각각 강점을 가지며,
향후 HVDC 시스템은 이들 소자의 최적 조합과 혁신적 제어 기술이 핵심 경쟁력이 될 것입니다.

투자자, 기술자, 정책 수립자 모두에게 전력반도체와 HVDC의 연계 분석은 미래 전략 수립의 필수 항목이 될 것입니다.