WBG 전력 반도체의 전류 측정이 가능한 높은 감도를 가지는 PCB 내장형 Pick-up Coil 최적화 설계 기법

Abstract

현대 전력전자 분야는 전력변환장치의 높은 효율 및 전력밀도를 요구해왔다. WBG 전력반도체 소자들은 Si 전력반도체 소자들의 기술적 한계를 뛰어넘어 빠른 스위칭 속도와 낮은 도통 저항을 가지는 이점을 가진다. 하지만 WBG 소자를 사용하면서 안정적으로 구동하기 위해서는 단락상황에서 소자가 소손되지 않도록 보호해야 한다. 기존 전류 측정 센서들은 높은 대역폭을 만족하지 못하여 정밀한 전류 측정이 어려운 문제가 있다. WBG 소자를 측정하기 위한 전류 센서로써 Pick-up coil이 연구되었지만, 요구 대역폭을 만족하면서도 높은 상호인덕턴스를 확보하지 못하였다. 본 논문에서는 PCB 내장형 Pick-up coil에서 대역폭과 상호인덕턴스를 수식적으로 분석하여 Pick-up coil의 물리적 설계 변수들의 상관관계를 제시한다. 높은 대역폭을 만족하면서도 높은 상호 인덕턴스를 확보하기 위한 최적 설계 기법을 제안하며 다중 목적 함수 최적화 기법 중 Constraint Transformation method를 이용하여 최적 설계 파라미터를 선정한다. 설계 검증은 시뮬레이션과 실험을 통해 확인하며 WBG 소자의 전류 측정 문제에 대한 개선 가능성을 제시한다.