글│카를로스 카스트로 (Carlos Castro), 앙드레 방켈무스 (Andre Wankelmuth)
    하이브리드 시스템 엔지니어 전기구동 트레인 마케팅 부장
    carlos.castro@infineon.com andre.wankelmuth@infineon.com
    인피니언 테크놀로지스 인피니언 테크놀로지스

인버터 시스템 개발 시 단계

그림 1은 일반적인 3상 인버터 설계인 HybridPACK2를 위한 HybridKIT의 전체 블록 다이어그램을 나타낸 것이다. 주요 요소들과 포함된 설계기술 과제를 간략하게 정리하면 다음과 같다:

배터리와 모듈을 디커플링 하기 위해서 인버터 시스템에 DC-링크 커패시터를 사용한다.  이러한 맥락에서 필름 커패시터는 가장 적절한 선택이다. 표시돼야 할 가장 중요한 파라미터들은 동작 전압, 허용 리플 전압, rms-전류 등이다. 전체 시스템에 대해 낮은 스트레이 인덕턴스(stray inductance)를 달성하기 위해 모듈과 커패시터는 기계적으로 매칭돼야 한다.
제조업체의 모듈 데이터 시트에 지정된 최대 허용 온도를 초과하지 않도록 하기 위해 모듈에서 발생하는 열 손실은 분산돼야 한다. 따라서 냉각 시스템의 설계는 최고의 성능을 달성하고 필요한 제품 수명을 보장하는 데 있어서 상당히 중요한 부문이 된다.
드라이버 및 제어 보드에 제어, 모니터링, 평가, 보안, 보호 기능 등의 전체 세트를 구현하는 것은 부품 선정, 다이어그램 설계, 양호한 EMC 성능을 보장하고 필요한 공간거리(clearance) 및 연면거리(creepage distance)를 포함하는 레이아웃의 결정 등과 같은 개념 설계를 포함한다. 뿐만 아니라 소프트웨어 역시 테스트, 디버깅돼 개발돼야 한다.
따라서 HEV 아키텍처의 중요한 부분인 인버터 시스템을 구축하기 위해서는 상당히 많은 노력이 이뤄져야한다.

IT 및 HybridPACK2의 컴포넌트와 기능

HybridKIT의 경우, 앞서 언급한 설계 과제들을 완벽하게 고려하고 있다(그림 2). 이를 위해 키트에는 인버터의 간단하고 신속한 개발 지원, 그리고 완벽한 HEV 아키텍처 설계를 지원하는 스마트 솔루션이 제공된다.
주요 파라미터에 대한 신속한 평가가 가능하기 때문에 타임-투-마켓을 최적화할 수 있다. HybridKIT는 레퍼런스 설계를 제공할 뿐만 아니라 HiL(Hardware in the Loop) 시스템에 포함시키거나 또는 초기 차량 내 패키징 연구 시에 초기 시스템 테스트를 지원한다. 
전력 모듈 HybridPACK2는 HybridKIT (그림 1)에서 첫 번째로 중요한 블록으로서 차량의 온도 주기 안정성과 관련된 특수한 요건들을 충족한다. HybridPACK 모듈 제품군 개발 시 칩 표면상의 본딩 와이어의 연결과 베이스 플레이트와 기판 사이의 납땜 접합에 대해 상당한 개선이 이뤄졌다. 따라서 이것은 대부분의 액체-냉각 시스템의 요건을 충족한다. HybridPACK2의 설계(그림 3)는 80 kW 구동 요건에 맞게 조정됐다. 이것은 인버터를 위한 모든 전력 반도체뿐만 아니라 온도 측정을 위한 3개의 NTC(Negative Temperature Coefficient) 레지스터를 포함한다. 모듈은 150°C의 접합 동작 온도에 대응해 설계됐기 때문에 3세대 트렌치-필드-스톱(Trench-Field-Stop) IGBT의 6-팩 구성과 매칭 이미터 제어 다이오드들을 포함하고 있다. 이것은 최대 800 A/650 V 정격을 지니며, 가장 낮은 전도 및 스위칭 손실을 제공한다.
두 번째 블록으로서 HybridKIT는 DC-링크 커패시터 B25655J4507K(Epcos 제품)를 포함하고 있으며, 이는 전기 기계적으로 매칭되고 낮은 스트레이 인덕턴스를 통해 콤팩트한 설계를 지원한다. 이것은 HybridPACK2에 대한 최적화를 보장할 수 있도록 조정되고 테스트 됐다.
보다 높은 전력 또는 동작 온도를 필요로 하는 애플리케이션을 위해 적절한 차폐를 위해 통합 고무 개스킷을 사용하는 IGBT 모듈에 직접 나사로 연결할 수 있는 수냉 요소가 포함됐다. 모든 설계 파라미터들은 콤팩트한 바디, 최고의 냉각 성능, 긴 수명을 위해 최적화됐다.
PCB는 최신 설계 규칙, 규범, 표준 등에 따라 보드 설계를 실현하기 위해 2개의 독립적인 PCB를 사용했다. 드라이버 및 로직 보드. 6-채널 IGBT 드라이버 보드는 전기 및 기계적으로 HybridPACK2에 대해 최적화됐다. 전류 구동 성능을 강화하기 위해, 포함된 몇 가지 주요 기능들은 6개의 각기 다른 드라이버에 대한 적절한 절연을 보장하는 DC/DC 전원공급 장치(1ED020I12-FA, 인피니언의 코어리스 트랜스포머 기술 드라이버), 절연 DC-링크 전압 측정(보호 및 모니터링 기능을 위한 입력), NTC 소자들을 통한 온도 측정, 단락회로 보호 기능을 위한 능동 클램핑 다이오드, 각 IGBT 드라이버를 위한 독립적인 부스터 단 등이다.
로직 보드는 드라이버 보드를 제어하기 위한 모든 컴포넌트를 포함하고 있다. 뿐만 아니라, 이것은 완전한 인버터 시스템을 구성하는데 필요한 모터 인터페이스(인코더 및 리졸버), 전류 감지 인터페이스, 통신(CAN 및 RS232), 추가적인 아날로그 및 디지털 입/출력 등의 모든 요소들을 위한 인터페이스를 제공한다.
온보드 인피니언 마이크로컨트롤러(TC1767)는 보호 및 모니터링 기능의 실현, 드라이버 제어, HybridPACK2 성능의 평가 등을 위한 소프트웨어를 손쉽게 구현할 수 있게 한다. 또 이러한 기능들을 위한 예제 소프트웨어 역시 준비하고 있다.
HybridPACK2를 위한 HybridKIT는 3상 인버터 시스템을 개발하는 데 필요한 레퍼런스 설계와 툴을 제공한다. 이를 통해 하드웨어 테스트 및 측정(즉, 단락회로, 온도 등)뿐만 아니라 소프트웨어 개발을 수행할 수 있다. 이는 완벽한 시스템을 구현하기 위해 필요한 모든 컴포넌트를 포함하고 있으며, 외부 시스템을 위한 인터페이스(모터 제어, 전류 측정, 통신)를 제공한다. 부품 리스트, 회로 설계, 레이아웃 데이터 등과 같은 전체 문서들과 함께 제공되기 때문에 (H)EV 시스템 개발 착수를 가속화 할 수 있다.
보다 상세한 정보는 www.infineon.com /hybrid에서 제공되고 있다.