인피니언, 소형 경제성 높은 xEV 인버터용 전력 모듈

2015년 03월호 지면기사  /  글│마틴 글리치 (Martin Gleich) 스페판 에덴할터 (Stefan Edenharter) Infineon Technologies

인피니언이 새롭게 출시한 HybridPACK Drive는 높은 전력 밀도를 달성하고 지극히 콤팩트하면서 경제성 뛰어난 메인 인버터 디자인을 설계할 수 있도록 하는 새로운 차원의 IGBT 전력 모듈 제품들이다.

글│마틴 글리치 (Martin Gleich) _ martin.gleich@infineon.com
스페판 에덴할터 (Stefan Edenharter) _ stefan.edenharter@infineon.com
Infineon Technologies

앞으로 xEV 시장이 정부 규제 등에 힘입어 빠른 속도로 성장할 전망이다. 유럽 연합에서는 2020년까지 CO2 배출을 킬로미터 당 95그램으로 줄이도록 하고 있는데, 이런 까다로운 요구기준을 충족하기 위해서는 기존의 파워트레인을 향상시키는 것만으로는 충분하지 않게 됐다. 이에 대한 해결책은 바로 파워트레인의 전기화(electrification)다.
최근의 xEV 시장에서 전기 구동 트레인은 두 가지 요구를 충족해야 한다.

제한적인 공간과 비용이 그것이다. 엔진 컴파트먼트 내의 공간은 극히 제한적이며 인버터/제너레이터, 전기 장치, DC/DC 컨버터, 배터리 차저, 보조 드라이브 등을 위해 추가적인 공간을 필요로 한다. 따라서 지극히 콤팩트한 솔루션을 필요로 한다. 그런데 파워트레인을 전기화하기 위해서는 상당한 비용을 추가해야 하기 때문에 최종 소비자들은 전기차나 하이브리드 카가 더 효율이 높아도 상당히 가격이 높아 구입을 꺼린다. 때문에 시스템 비용을 낮추지 않을 수 없는 상황이다.



이러한 야심적 목표를 달성하기 위해서는 새로운 세대의 인버터를 개발해야만 한다. 이와 더불어 유연한 시스템 솔루션과 효율적인 제조가 뒤따라야 한다. 인피니언이 새롭게 출시한 HybridPACK Drive는 높은 전력 밀도를 달성하고 지극히 콤팩트하면서 경제성 뛰어난 메인 인버터 디자인을 설계할 수 있도록 하는 새로운 차원의 IGBT 전력 모듈 제품들이다.

다양한 xEV용 전력 모듈 제품

인피니언은 IGBT 전력 모듈 분야에서 오랜 동안 경험을 쌓고 있다. 지속적인 기술 향상과 새로운 소재 및 어셈블리 기술을 개발하기 위한 집중적인 연구 노력을 통해서 열 성능과 전기적 성능을 향상시킴으로써 높은 신뢰성과 기계적 견고성을 달성하고 있다(그림 1). 인피니언은 IGBT, 다이오드, MOSFET, 드라이버 IC를 비롯한 앞선 반도체 솔루션을 기반으로 수 kW의 보조 시스템에서부터 140 kW 이상에 달하는 메인 인버터에 이르기까지 하이브리드 카 및 전기차의 다양한 애플리케이션에 이용하도록 포괄적인 유형의 제품 포트폴리오를 제공하고 있다.

낮은 전력 용량(최대 10 kW) 대에서는 EASY 자동차용 모듈이 최적화된 가격대로 콤팩트한 디자인을 제공하며 “press-fit” 기법을 이용해서 신속하고도 신뢰할 수 있는 어셈블리를 가능하게 한다. 이들 모듈 제품은 주로 에어 컨디셔닝 컴프레서, 오일 펌프, 쿨링 펌프, 온보드 차저, HV 대 LV DC-DC 컨버터, 히터 등의 시스템에 이용할 수 있다.
HybridPACK 1 제품군은 전력 용량이 60 kW에 이르는 xEV 애플리케이션에 이용하기 위한 전력 모듈 제품들이다.



이들 모듈은 150℃의 접합부 동작 온도로 동작할 수 있으며 3세대 트렌치 필드 스톱 IGBT와 그에 맞는 이미터 제어 다이오드의 6팩 구성으로 이뤄져 있다. 이들 모듈 제품은 400 A 칩 전류에 705 V 전압 정격이다.

HybridPACK 2 전력 모듈은 전력 용량이 최대 140 kW에 이르는 xEV 애플리케이션에 이용하기 위한 제품들이다. 이들 6팩 모듈의 최대 칩 정격은 800 A에 680 V이다. 모든 전력 접속은 스크류 단자를 이용해서 이뤄진다. 신호 핀들은 솔더링을 하도록 설계됐다.

인피니언은 지금까지 전 세계적으로 수십 만 개에 달하는 HybridPACK 모듈 제품을 출하함으로써 글로벌 xEV 시장에서 확고한 입지를 다지고 있다.

HybridPACK Drive
가장 높은 전력 밀도
콤팩트하고 경제성 높은
인버터 설계 가능


인피니언의 새로운 HybridPACK Drive IGBT 모듈 제품은 기존에 확고하게 자리를 잡고 있는 HybridPACK 모듈의 차세대 제품으로서 글로벌 xEV 시장의 요구를 충족한다. HybridPACK Drive는 하이브리드 카와 전기차에서 메인 인버터의 핵심적 부품이다. 전력 용량이 50~100 kW에 이르는 이들 새로운 모듈 제품은 주행거리가 50킬로미터인 플러그인 하이브리드를 비롯해서 xEV 시장의 거의 대부분 유형에 이용할 수 있다.

HybridPACK Drive는 매우 콤팩트한 6팩 구성 모듈이다(750 V/ 660 A). 이들 모듈 제품은 범용적인 전력 단자와 신호 단자로는 press-fit 핀을 제공해 제조 시에 비용을 절감할 수 있다. 뿐만 아니라 낮은 부유 인덕턴스와 높은 블로킹 전압을 결합함으로써 특히 인버터 최대 정격으로 스위칭 손실을 최소화한다. 그럼으로써 더 높은 효율을 달성한다. 또한 pin-fin(지느러미) 형태의 구리 베이스플레이트를 이용한 직접 액체 냉각방식으로 뛰어난 전력 밀도를 달성한다.



새로운 칩 및 패키지 기술

HybridPACK Drive는 혁신적인 패키지 기술을 적용함으로써 인버터 제조업체들이 지극히 콤팩트하면서 경쟁력이 뛰어난 제품을 설계할 수 있도록 한다. 이들 새로운 IGBT 전력 모듈 제품은 이전 세대(HybridPACK 2)보다 특정한 전력으로 크기가 약 30퍼센트 더 소형화됐다. 뿐만 아니라 이들 모듈 제품을 이용하면 더 신속하고도 효율적으로 인버터 어셈블리를 할 수 있어 제조 시에 비용을 절감할 수 있다(그림 2).

이들 새로운 세대의 전력 모듈 제품은 차세대 칩 기술에 적합한 완전히 새로운 패키지 기술을 적용하고 있다. 부유 인덕턴스가 10 nH로 극히 낮아 고속 스위칭 칩셋을 이용함으로써 시스템으로 높은 효율을 달성할 수 있다. 혁신적인 신호 핀 어셈블리를 이용해서 핀 구성에 있어서 유연성을 가능하게 해 간편하게 추가적인 기능을 통합할 수 있다.

HybridPACK Drive 모듈은 더 소형이면서 직접 냉각을 이용해서 HybridPACK 2와 동일한 600 A를 제공한다. 차세대 칩 기술에 인덕턴스가 낮은 패키지 디자인을 결합함으로써 스위칭 손실을 크게 낮추고 인버터의 에너지 효율을 추가적으로 더욱 향상시킨다. 그럼으로써 플러그인 하이브리드나 전기차의 주행거리를 연장할 수 있게 한다.

새로운 패키지 기술을 적용함으로써 HybridPACK Drive 칩을 피크 전력으로 10초와 같은 짧은 시간 동안에 최대 175 ℃에 이르는 더 높은 접합부 온도로 동작할 수 있게 됐다. 동시에 전력 사이클링(PCsec) 성능이 100 K로 60,000사이클로 향상됐다. 이는 다시 말해서 이와 같이 더 높아진 동작 온도가 모듈의 수명에 영향을 미치지 않는다는 뜻이 된다.

또 HybridPACK Drive는 전혀 새로운 탑재 기법을 이용하고 있다(그림 3). 이들 모듈은 스크류 단자가 아니라 다기능 탭을 이용함으로써 신속하게 용접 공정을 할 수 있다. 고객이 스크류 단자를 사용하고자 할 때는 그에 맞게 플렉서블 탭을 사용할 수 있다. 또 다른 중요한 향상은 Press FIT 기술을 적용함으로써 불과 수 초 만에 지극히 신뢰할 수 있는 PCB 어셈블리를 할 수 있다는 점이다. 그럼으로써 선택적 솔더링 프로세스와 비교해서 프로세스 시간을 최소한 10~20배까지 단축할 수 있다.

최대 허용 온도(Tvj_op=175℃)를 넘지 않아야 해 모듈 내에서 발생된 전력 손실을 소산시켜야 한다. 이를 성공적으로 달성하기 위해서는 냉각 시스템의 열 전도성이 무엇보다도 중요한 역할을 한다. HybridPACK Drive가 다른 전력 모듈과 차별화되는 점은 베이스플레이트에 pin-fin 어레이가 나와 있다는 것이다. 이를 이용함으로써 열 성능 측면에서 매우 효과적으로 액체 냉각이 가능하다. 이 pin-fin 구조는 물/글리콜 혼합액 같은 표준적 냉각액을 이용할 수 있다.

인피니언의 새로운 세대 자동차 전력 모듈 제품인 HybridPACK Drive는 전력 용량이 50~100 kW에 이르는 차세대 xEV 인버터에 이용하기 위한 제품들이다. 이들 전력 모듈은 동급으로 가장 우수한 전력 밀도를 제공하고 어셈블리 시의 비용과 공간을 절약하는 혁신적인 패키지 디자인을 적용함으로써 콤팩트하면서 경제성 높은 고성능 디자인을 달성할 수 있다. 차세대 칩 기술에 적합한, 인덕턴스가 낮은 새로운 패키지 디자인은 인버터의 스위칭 손실을 낮추고 에너지 효율을 향상시킨다. 그럼으로써 플러그인 하이브리드 및 전기차의 주행거리를 연장할 수 있게 한다.
HybridPACK Drive와 인피니언의 전체적인 HEV 전력 모듈 제품 포트폴리오에 관한 더 자세한 내용은 www.infineon.com/ hybrid에서 볼 수 있다. 

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