Design and Evaluation of Automotive Power Module: 650V GaN E-HEMT with Meandered Interconnection and Integrated Motor-inverter Power Module

Abstract

전 세계적으로 이산화탄소 배출 규제와 연비 문제가 대두되면서 대부분의 산업에서 전동화가 불가피하게 되었다. 특히 자동차 산업에서의 주요 이슈인 소형화와 전력 효율은 전장 부품 설계 시 고려되어야 할 목표점이다. 이러한 설계 목표 때문에 모터 구동을 위한 전력변환 기능을 수행하는 파워모듈의 경우 신뢰성 검증 절차가 절대적으로 중요하다. 본 논문에서는 파워모듈의 구성과 각각의 컴포넌트에 대해 설명한다. 파워모듈은 크게 전력소자와 주변부 패키징 컴포넌트로 구성된다. 전력소자 중 와이드 밴드갭 소자는 최근 파워모듈에 다양하게 적용되는 추세이므로 그 특성에 대해 서술한다. 또한 주변부 컴포넌트의 역할과 설계 시 고려해야 할 점들을 구체화하여 명시한다. 파워모듈은 전력을 다루는 장치이므로 새로 설계한 파워모듈에 대한 전기적 검증 과정에 대해 설명한다. FEM과 회로 시뮬레이션 툴을 이용한 검증 방법을 소개하고 파워모듈 내 몇 가지 변수들에 대한 사례연구를 실시한다. 이러한 설계와 검증방법을 두 가지 어플리케이션에 적용된 새로운 제안모델에 적용하였다. 첫번째로 질화갈륨 증가형 고전자 이동성 트랜지스터 (GaN E-HEMT)에 적용된 새로운 인터커넥션을 제안한다. 제안하는 인터커넥션에 대한 설계과정을 설명하고 설계 변수들에 대한 기생인덕턴스와 열저항을 최소로 하는 파라메트릭 스터디를 수행한다. 스터디로부터 나온 최적 디자인과 기대되는 이점들에 대해 설명하고 이를 검증하기 위해 시뮬레이션과 실험을 통한 여러가지 과정을 거친다. 또한 실험 검증을 위해 제안하는 인터커넥션 모델의 시제작품을 제작하였다. 두번째로 48볼트 마일드 하이브리드 차량에 적용되는 전동 컴프레서용 및 스타터-제너레이터용 모터-인버터 일체형 구조 파워모듈을 제안하고 분석한다. 해당 파워 모듈은 일체형 구조를 고려하여 컴포넌트를 재설계하여 개선된다. 개선 설계 후 필요한 전기적, 열적 시뮬레이션과 실험 검증이 수행되며 결과를 통해 비교 분석한다. 그 결과, 제안된 인터커넥션과 일체형 구조를 고려한 파워모듈 개선 디자인의 우수성을 확인하였고, 시뮬레이션과 실험 검증의 결과의 유사성을 통해 각 검증방법이 유효함을 확인하였다. |With increasing demand in automotive fuel efficiency and ever-strengthening global carbon dioxide emission regulations, electrification has become an indispensable trend. Especially in the automobile industry, miniaturization and performance are other major challenges, and they should be considered with electrification as goals in the equipment design stage. Because of the challenges, a tailored design and evaluation process is necessary for power modules that perform high-level power conversion for motor driving. This dissertation attempts to present the design and evaluation of power modules used in electrified vehicles. The dissertation starts with the configuration of a power module and a description of each module component. A power module includes power devices and packaging components. Among the power devices, wide bandgap (WBG) devices have recently been widely used in power modules, and their characteristics are described. In addition, the roles of packaging components and their design considerations are presented. Because the power module treats electric power, electrical verification is important. Electrical verification methods based on the finite element method (FEM) and circuit simulation tools are introduced. The aforementioned design and evaluation methods are applied to the proposed models of two applications. First, a new interconnection design is proposed. The interconnection is specially designed for the GaN E-mode High-electron-mobility Transistor (E-HEMT). The design process for the proposed interconnection is presented in detail, and a parametric study is conducted considering major design variables, to achieve minimum parasitic inductance and thermal resistance objectives. The expected advantages of the optimal interconnection design, as obtained from the parametric study, are described. To verify these expected advantages, various simulations and experiments are conducted. A prototype of the proposed interconnection is fabricated and experimentally evaluated. Secondly, the inverter power module is designed and analyzed to be applied in the motor-inverter integrated structure of the electric compressor and starter-generator components used in 48-V mild hybrid vehicle system. An improved power module design is proposed, and it demonstrates all of the electrical and thermal performances required in the integrated structure. The performances are evaluated by conducting electrical/thermal simulations and experiments. As a result, the superiority of the proposed interconnection for GaN E-HEMTs and the improved power module considering the integrated structure was demonstrated, and their evaluation processes were validated based on the similarity between the simulation and experimental results.