실리콘 카바이드 파워모듈 내 소자 배치와 상태특성을 반영한 전용 냉각구조 연구

Abstract

실리콘 카바이드 소자는 파워 모듈에 사용됨에 있어서, Switching loss가 매우 적고, 모듈의 크기가 작기 때문에 기존의 실리콘 IGBT 파워 모듈을 대체할 소자로 연구가 되어왔다. 파워 모듈의 크기와 열 특성은 친환경 차량의 Power control unit의 크기를 결정하는데도 큰 영향을 끼친다. 대부분의 파워 모듈이 150℃ 가량의 Junction temperature를 가지기 때문에 이 온도 이하로 냉각이 지속적으로 이루어 져야만 파워 모듈이 정상적으로 동작하게 된다. 따라서 실리콘 카바이드 파워 모듈에 따른 적합한 냉각 구조가 필수적이다. 아래 그 두 가지 이유가 있다. 첫째로 대부분의 파워 모듈 냉각은 Water cooling으로 이루어 진다. 따라서 모듈의 크기가 실리콘 카바이드 파워 모듈처럼 작아지거나, 손실이 적다면 냉각구조 또한 간소화 될 필요가 있을 것이다. 냉각구조의 간소화는 PCU의 전체 부피 또한 작아 질 수 있다는 것을 의미한다. PCU의 부피 및 무게 감소는 친환경 자동차의 전비 향상으로도 이어질 수 있기 때문에 적합한 냉각 구조가 필요하다. 둘째로 미래엔 소자가 악조건에서 운용될 가능성이 높다. 또한 Wide band gap 소자가 연구되고 개발되면서 내열성이 뛰어난 소자들이 생산될 것이고 냉각 환경 또한 간소화 될 것이다. 이러한 점들을 고려해 볼 때 악 조건 및 간소화 된 냉각 환경에도 모듈을 정상 동작 온도까지 냉각 시킬 수 있는 간소화 되고 적합한 냉각 구조가 필요하다. 이 논문의 구조 설계 에서는 냉각 대상이 되는 실리콘 카바이드 파워 모듈을 선정한 뒤 모듈의 소자 위치 및 손실을 고려하여 직접 설계한 적합 구조를 두 가지 손실 조건(360/180[W], 720/360[W])과 4가지 유속 조건(0.16, 0.32, 0.64, 1.98[m/s])에서 시뮬레이션 하였고 기존의 Reference구조와 비교하여 성능향상을 확인해 보았다. 추가로 파워 모듈의 냉각에서는 단순하게 T_max를 낮춰서 냉각 목표를 달성한 것이 아니다. 특히 6-pack 3상 인버터 같은 경우는 제어 명령에 따라서 각 Leg의 온도가 다르게 나타날 수 있다. 또한 직접 설계한 냉각 구조가 직선형이기 때문에, 냉각수 Inlet과, 냉각수 Outlet 지점에서의 냉각성능이 상이할 수 밖에 없다. 이러한 상이한 냉각 성능은 각 소자간 온도가 지속적으로 차이가 날 수 있다. 소자간 온도의 차이는 같은 전압, 전류인가에도 특성의 차이를 보일 수 있고 이는 제어 성능의 저하를 불러 일으킨다. 이 논문의 온도 균일화 설계에서는 이러한 소자간 온도 불균형을 맞추기 위해 Double sided cooling 구조에서 Thermoelectric module을 사용하는 것을 제시하고, 실험을 통해 증명하기 위해 실험 환경에 대하여 기술하였다. 실험을 통하여 보고자 하는 것은 첫째, Thermoelectric module을 통하여 한번 냉각된 소자의 냉각이 가능할 것인가? 둘째, 냉각에 걸리는 시간이 빠른 Switching에도 변하는 소자의 온도를 균일화 시킬 수 있을 정도인지? 셋째, 소자의 온도 측정방법과 Thermoelectric module의 제어는 어떤 방식으로 이루어 져야 할 것인지? 이다. 해당 연구는 파워 모듈의 소형화 및 소자 위치를 고려한 전용 냉각구조에 대한 제안을 하였다. 이 구조는 기존 구조 대비 동일 조건에서 더 나은 냉각 성능을 보여줄 수 있었고, 특히 악조건에서의 냉각 성능이 더 뛰어난 것을 확인할 수 있었다. 또 각 소자 간의 온도 균일화를 위하여 Double sided cooling 구조에 Thermoelectric module 도입 가능성을 보여 주었고, 실험계획에 대한 내용을 담았다.