EV/HEV에서 공간, 무게, 비용을 절약하기 위해서 인버터는 온보드 차저로도 동작해야 한다. 인버터와 모터를 스위치 모드 벅/부스트 컨버터로 이용할 수 있다. IGBT를 배터리 차저로 스위칭할 때는 30 kHz에 이르는 높은 주파수로 스위칭해야 한다. HybridPACK™ 2(650 V, 800 A, 단일 모듈로 6개 IGBT 통합) 같은 IGBT 모듈은 8.6 μC 게이트 전하를 제공하며 각각의 IGBT를 30 kHz로 구동하기 위해서 4~5 W의 전력을 필요로 한다. 팀은 드라이버 회로를 개발하고 HybridPACK 2를 300 kHz 스위칭 주파수로 우수한 열 성능 및 동작으로 성공적으로 제어할 수 있었다.

글│롱 루이(Rong Rui), 헤 야호후아(He Yahohua) <Rui.Rong@infineon.com>
Infineon Integrated Circuit(Beijing) Co., Ltd.

1. 머리말

EV/HEV 애플리케이션에서 스테이터 권선을 인덕터로 이용해 차저 시스템을 구현하는 방식의 인기가 갈수록 높아지고 있다[1]. 인버터와 모터를 두 가지 용도로 사용할 수 있으므로 공간, 무게, 비용을 낮출 수 있다. 이 점이 EV/HEV에서 매우 중요한 것은 모두가 알다시피 배터리가 상당히 큰 공간을 차지하고, 이에 따라 무게와 비용이 그만큼 높아지기 때문이다. 그림 1의 간단한 회로는 AC Propulsion의 모델이다. 이 그림은 인버터와 모터를 충전 시스템에 어떻게 활용할 수 있는지를 보여준다.
모터의 인덕턴스는 통상적으로 트랙션 방식으로 설계된다. IGBT를 인버터로 동작할 때는 약 10 kHz로 스위칭한다. 하지만 SMPS(Switching Mode Power Supply)로서 배터리를 충전하기 위해서는 허용 가능한 전류 리플을 달성하기 위해서 IGBT를 20~30 kHz로 스위칭해야 한다. 드라이버 보드와 IGBT가 충전 모드와 모터 제어 모드 둘 다로 동작해야 한다. 이 점이 하드웨어 개발 시에 중요한 과제이다. 그림 2는 테스트 벤치 셋업을 보여준다.





2. 계산 및 시뮬레이션

2.1. 게이트 드라이버 계산
게이트 저항에서 발생되는 전력 손실은 다음의 공식 (1)과 같이 계산할 수 있다:

Pdis = PRgext + PRgint = ΔVout x fs x Qge  (공식 1)[2]

Rgext는 외부 게이트 저항이고, Rgint는 내부 게이트 저항으로서 0.5 Ω이다[3]. Vge가 ±15 V이면 전력 손실은 30 V × 30 kHz × 8.6 μC = 7.74 W이다. 드라이버 보드의 효율을 반영하면 6개 IGBT를 스위칭하는 이 드라이버 보드의 총 전력 소모는 최소한 50 W가 될 것이다.

각 IGBT 상의 외부 게이트 저항의 전력 소모는 다음의 공식 (2)와 같이 계산할 수 있다:
PRgext = Pdis × Rgext / (Rgext + Rgint)   (공식 2)

Rgext가 2.5 Ω이면 외부 게이트 저항의 전력 소모는 7.74 × 2.5 / (2.5 + 0.5) = 6.45 W가 된다. 이 정도이면 드라이버 보드의 크기에 비해서 전력 소모가 높은 것이다. 그래서 팀은 되도록이면 전력 소모를 낮추도록 해야 했다.
Vge 전압을 낮추는 것이 한 가지 선택할 수 있는 방법이었다. 하지만 데이터 시트를 확인해 보니 스위치-온 전압이 전도 손실과 연관돼 있어 이 전압을 많이 낮출 수 없었다. 때문에 이 전압을 14 V로 설정했다.
스위치 오프 전압은 -7 V로 설정했다. 그리고 Qge 값을 데이터 시트 값을 이용해 여기에 0.7을 곱해서 대략적으로 계산했다. 그러므로 Qge = 6.02 μC이다. 드라이버 회로의 총 전력은 21 V × 30 kHz × 6.02 μC = 3.79 W이다.
외부 게이트 저항을 낮게 할수록 드라이버 회로로 발생되는 전력이 낮아진다. 그런데 게이트 저항이 낮으면 RBSOA(reverse biased safe operating area)가 낮아지고 게이트 저항이 높으면 스위칭 손실을 증가시킨다(그림 3)[2][3]. 최종적으로 적절한 절충점으로서 2.7 Ω 외부 게이트 저항을 선택했다. 그러면 2.7 Ω 게이트 저항의 전력 소모는 2.7 / (2.7 + 0.5) × 3.79 W = 3.20 W이다.



2.2. IGBT 모듈 시뮬레이션
시뮬레이션에는 DC 초퍼 모델을 이용했다. 이 모델이 SVPWM이나 WPWM 모델보다 더 중요하고 벅/부스트 컨버터 애플리케이션에 근접하기 때문이다. EV의 배터리가 충전을 위해서 최대 420 V를 필요로 하기 때문에 최대 DC 버스 전압으로는 420 V를 이용했다. 유속은 10 l/min으로 설정하고 냉각 온도는 65℃로 설정했다. 냉각수는 50% 물 및 50% 글리콜이었다. 그림 4는 시뮬레이션 결과를 보여준다. HybridPACK 2를 30 kHz로 스위칭하면 출력 전류가 100 A일 때 접합부 온도가 133℃로 상승한다. 이 정도이면 EV/HEV에서 배터리를 충전하기에 충분하다.



3. 열 관리 솔루션

3.1 드라이버 보드의 레이아웃 공간 제약
드라이버 보드 아웃라인이 HybridPACK 2 모듈과 일치해야 한다. 모든 부품들을 상단면에 탑재한다면 게이트 저항에 이용할 수 있는 공간은 그림 5에서 보는 것과 같이 22 mm × 25 mm에 불과하다. 이 정도의 공간은 3.2 W 전력 소산을 위해서 충분하지 않으므로 하단면을 사용해야 한다. 하지만 상단면이 공기 대류가 더 우수하므로 게이트 저항을 상단면에 탑재해야 한다. 예를 들어 8개 2010(플랫 칩 패키지의 사이즈 코드) 박막 저항은 22 mm × 25 mm 공간에 탑재할 수 있다. 이들 저항의 정격 전력은 8 × 0.75 W = 6 W이다. 하지만 이들 저항을 125℃로 작동하면 디레이팅이 30%(1.8 W)가 된다. 시뮬레이션과 테스트를 통해서 최적의 솔루션을 구해야 한다.

3.2 시뮬레이션 및 테스트 결과

게이트 저항 레이아웃 솔루션
그림 6에서 보듯이 5개의 기본적인 레이아웃 기법에 각기 다른 유형의 비아를 적용해서 테스트했다. 표 1은 이들 각각의 솔루션을 보여준다.

온도 상승에 대한 테스트 결과
각 솔루션에 대해서 저항으로 전력을 공급하고 5분 후에 핫 스팟 온도를 측정했다. 이 측정으로부터의 결과를 이용해 다음과 같이 공식 (3)을 이용해 열 저항을 계산했다:

Rthja = (Tj - Ta) / P        (공식 3)

그림 7은 Rth 계산의 결과를 보여준다. 가장 먼저 알 수 있는 것은 2010 저항에 0.3 mm 비아를 적용한 솔루션(솔루션 1-1번)이 가장 우수한 솔루션이라는 것이다. 그런 다음에는 하단면으로 각기 다른 숫자의 저항을 이용했을 때의 영향에 대해서 살펴보았다. 표 2는 하단면으로 각기 다른 숫자의 저항을 적용한 솔루션들을 보여준다. 그런 다음 이들 5개 솔루션으로 20분 이상 1.4 W 전력을 공급하면서 온도를 측정했다. 그런 다음 동일한 방법으로 Rth를 계산했다.
그림 8에서 보듯이 온도 상승은 그렇게 높지 않았다. 하단면에서는 저항에 대해서 공기 대류를 이용할 수 있는 것이 제한적이다. 하단면에서는 공기를 이용해서 열을 그렇게 많이 제거할 수가 없다. 그러므로 하단면으로 금속 스트립을 이용하지 않는 한은 모든 게이트 저항을 상단면에 탑재해야 한다.

추가적인 시뮬레이션
시뮬레이션 결과를 보면 저항을 PCB 가장자리에 가깝게 탑재할수록 온도가 더 높은 것으로 나타난다. 1.4 W 전력 소산일 때는 22 mm × 25 mm 공간으로 86℃ 온도 상승을 일으키고 22 mm × 40 mm 공간에서는 70℃ 온도 상승을 일으킨다(25℃ 주위 온도일 때). 그림 9는 시뮬레이션 결과를 보여준다.
이와 같이 좁은 공간일 때는 강제 공기 대류를 이용하지 않고서는 3.2 W를 소산시킬 수가 없다. 추가적인 시뮬레이션 결과에서는 5 m/s 강제 공기 흐름을 이용함으로써 85℃ Ta일 때 온도 상승을 60℃로 제한할 수 있다는 것을 알 수 있다. 또 다른 방법으로서는 40 mm × 30 mm 공간으로 16개 2010 저항을 이용해서 비슷한 결과를 달성할 수 있다.




4. 최종적 테스트 및 결론
 
테스트 벤치를 이용해서 DC 초퍼 모드로 33 kHz 스위칭 주파수를 이용해서 인피니언 HybridPACK™ 2 IGBT 모듈의 Tj를 측정했다. Vdc는 300 V이고, Ic는 100 A이고, 냉각수 온도는 19℃이다. 그림 10은 측정 결과를 보여준다. 델타 Tj는 약 51℃이다. 이것은 시뮬레이션 결과와 일치한다. 게이트 저항에서의 델타 T는 강제 공기 대류를 이용해서 약 49℃이다. 그림 11은 IGBT 모듈의 스위칭 동작을 보여준다.
시뮬레이션 및 테스트 결과를 보면 모터 권선을 SMPS로 이용해서 배터리를 충전하기 위해서 HybridPACK™ 2를 30 kHz로 성공적으로 스위칭할 수 있다는 것을 알 수 있다. 가장 중요한 문제는 게이트 저항의 열 관리이다. 30 mm × 40 mm보다 넓은 공간일 때는 16개 2010 패키지 박막 저항을 이용하는 것이 편리할 것이다. 그렇지 않으면 강제 공기 대류나 여타 강제 냉각 기법을 사용해야 할 것이다.  AE

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