SiC 파워모듈 히트싱크 냉각 성능 향상을 위한 Perforated Pin 설계

Abstract

각 국의 친환경 정책 수립과 국제 유가 상승과 같은 다양한 이슈들로 인해 고성능, 고효율의 특징을 가진 전기자동차에 대한 관심과 수요가 지속적으로 증가하고 있다. 이러한 흐름에 대응하기 위해 높은 전력밀도와 고효율을 특징으로 하는 와이드 밴드 갭(Wide Band-Gap, WBG) 소자가 등장하였으며, 전기자동차용 인버터 파워 모듈에 차세대 소자로 탑재되어 기존 실리콘(Si) 전력반도체를 대체할 것으로 기대되고 있다. 또한 고성능화 및 소형화가 가능하다는 장점도 있다. 그러나 이러한 WBG 전력반도체의 장점을 극대화하기 위해서는 파워 모듈 단위의 방열 특성 향상을 통해 모듈 내 소자 발열을 감소시키는 전략이 필요하다. 특히 WBG 전력반도체가 기존 Si 소자 대비 전력 밀도가 높을 것으로 예상되기 때문에 더욱 우수한 냉각 방식이 필요하다.

본 논문에서는 일반적으로 사용되는 pin-fin 형태의 방열핀에 관통홀을 추가로 형성한 perforated pin을 제안하였다. 또한, 제안한 perforated pin이 적용된 히트싱크를 최적 설계하는 프로세스를 제시하고 설계된 히트싱크가 장착된 SiC 파워모듈의 냉각 성능을 분석하였다. 최적 설계를 위한 설계 변수로는 핀과 핀 사이의 가로와 세로 거리, 방열핀의 너비와 높이, 관통홀의 너비와 높이 등 총 6 가지 변수를 선정하여 최적화를 진행하였고, Ansys Fluent를 사용하여 설계한 구조의 냉각 성능을 분석하였다. 최적화한 냉각 구조의 경우 초기 모델에 비해 소자 온도가 약 6.27℃ 감소하였고 압력 손실 또한 약 45% 감소함을 확인하였다. 이때, 서로 상충되는 두 성능지표인 방열 성능 향상과 압력 손실의 저감을 동시에 달성하기가 어렵기 때문에 설계변수 간의 적절한 trade-off를 통한 최적화가 필요하다.

시뮬레이션의 검증을 위해 설계한 냉각 구조를 제작하여 시뮬레이션과 동일한 환경에서 실험을 진행하였다. 실제 SiC 파워 모듈에 전류 200A를 스위칭 없이 전도 손실만 발생하도록 인가한 상태에서, 제작한 냉각 구조를 장착한 파워모듈 내 소자 온도를 실시간으로 계측하였고 동시에 히트싱크가 포함된 냉각 시스템의 전체 압력 손실도 측정하였다. 실험결과, 최대 소자 온도가 약 7.4℃ 감소하였고 압력 손실은 약 42% 감소하였다. 또한, 실험과 시뮬레이션의 결과가 유사한 경향성을 가지는 것으로 관측되었다. 이를 통해 본 논문에서 제시한 perforated pin을 적용한 히트싱크를 사용하면 SiC 파워모듈의 방열 성능의 향상과 압력 손실의 저감 모두 가능하다며 또한 실험과 시뮬레이션 결과의 유사성도 검증하였다.