Case Type 및 Transfer Molded Type SiC 파워 모듈의 Stray Inductance 저감 기법 분석
- Title
- Case Type 및 Transfer Molded Type SiC 파워 모듈의 Stray Inductance 저감 기법 분석
- Other Titles
- Approaches to reduce Stray Inductance in Case Type and Transfer Molded Type SiC Power Modules
- Author
- 민경태
- Alternative Author(s)
- KYUNG TAE MIN
- Advisor(s)
- 윤영두
- Issue Date
- 2024. 2
- Publisher
- 한양대학교 대학원
- Degree
- Master
- Abstract
- Abstract
Approaches to reduce Stray Inductance
in Case Type and Transfer Molded Type SiC Power Modules
Kyung Tae Min
Dept. of Automotive Engineering
(Automotive-Computer Convergence)
Graduate School of Hanyang University
The increasing demand for high-efficiency and high-power density power electronics technology is driving the market beyond the material limitations of Silicon (Si) power semiconductors. In pursuit of higher performance and efficiency, Wide Bandgap (WBG) power semiconductors, including Silicon Carbide (SiC) and Gallium Nitride (GaN), are gaining attention.
By replacing Si with SiC and GaN, the switching speed and operating frequency can be increased. This leads to an increase in overshoot phenomena due to parasitic components during operation, which can exacerbate losses and negatively impact reliability due to heating. The reason for this is the increase in ringing phenomena and peak voltages as the operating frequency and speed increase. Therefore, reducing the internal parasitic components in the power semiconductor power module becomes an important issue as voltage and current ratings increase.
This paper verifies the effectiveness of a design approach that reduces Stray Inductance within a module through lead frame design, targeting a 1200V rated SiC MOSFET half-bridge power module. Additionally, strategies to reduce power semiconductor losses were researched for each power module type, aiming to implement designs that enhance reliability.
First, 3D modeling of power modules was conducted. This included existing power module models using one lead frame each for the Transfer Molded Type and the Case Type, and revised models utilizing increased numbers of lead frames, layout, and parallelism. The presented approach showed a reduction of about 12% in Power Loop Inductance for both Case Type and Transfer Molded Type models. Furthermore, to compare power semiconductor switching losses, partial inductance at each node was extracted, and an inverter circuit was constructed for comparison.
Using ANSYS Q3D and LTspice simulations, switching losses were reduced by approximately 10.4% for the Transfer Molded Type and 12.8% for the Case Type. Lastly, to validate the simulations, experiments were conducted in a Double Pulse Test environment using both the original power module models and those with modified lead frames for each type. The results showed a loss reduction of about 8.4% for the Case Type and 7.3% for the Transfer Molded Type, slightly worse than the simulation results but still validating the experimental research.
Therefore, this paper confirms that the presented lead frame utilization technique for reducing Stray Inductance is an effective method for reducing power semiconductor losses, simultaneously improving the electrical reliability and efficiency of SiC power modules for both Case Type and Transfer Molded Type.|국문 요지
고효율 및 고전력 밀도 전력전자 기술에 대한 지속적인 수요가 증가하고 있다. 이에 따라 실리콘(Si) 전력 반도체의 재료적 한계를 넘어서는 시장을 요구하고 있으며 고성능화, 고효율성을 추구하는 과정에서 SiC(실리콘 카바이드)와 GaN(갈륨 나이트라이드)을 포함한 와이드 밴드 갭(Wide Band gap) 전력반도체가 주목받고 있다.
Si을 대신하여SiC 및 GaN을 적용함으로써 스위칭 속도와 동작 주파수를 증가시킬 수 있다. 이에 따라 동작 중 기생 성분으로 인한 오버슈트 현상이 증가하고, 이는 손실을 더욱 악화시키며 발열로 인한 신뢰성에 악영향을 줄 수 있다. 그 이유로는 동작 주파수, 속도가 증가함에 따라 링잉 현상, 피크 전압이 점점 증가한다. 따라서 전압, 전류 정격이 커짐에 따라 이에 따라 전력반도체 파워 모듈 내부 기생 성분을 줄이는 것이 중요한 과제로 여겨지고 있다.
본 논문에서는 1200V 정격 SiC MOSFET 하프 브릿지 파워 모듈을 대상으로 리드프레임 설계를 통한 모듈 내 Stray Inductance를 저감시키는 적용함에 따라 제시한 방안의 유효성을 검증하였다. 또한, 전력반도체 손실을 저감시키는 방안을 파워 모듈 Type 마다 연구하고 더 나아가 신뢰성을 높일 수 있는 설계를 구현하고자 하였다.
먼저, 파워 모듈 중 Transfer molded Type과 Case Type에서 적용하는 리드프레임을 1개씩 사용하는 기존 파워 모듈 모델과 리드프레임의 수 증가와 배치 및 병렬성을 활용한 파워 모듈(수정 모델) 3D 모델링을 구성하였다. 제시한 방안으로 2가지 모델의 Power Loop Inductance를 먼저 구하고 비교했을 때, Case Type과 Transfer molded Type 두가지 경우 약 12% 감소하는 것으로 나타났다. 또한, 전력반도체 스위칭 손실을 비교하기 위해 각 node마다 부분적인 Inductance를 추출하고, 이를 통해 인버터 회로를 구성하여 파워 모듈 전력반도체의 스위칭 손실을 비교하였다.
ANSYS Q3D와 LTspice를 이용한 시뮬레이션 결과로 Transfer molded Type의 경우 약 10.4% 스위칭 손실이 감소하였고, Case Type의 경우
약 12.8% 스위칭 손실이 감소하였다.
마지막으로, 본 연구는 시뮬레이션을 검증하기 위해, 두 가지 타입의 기존 파워 모듈 모델과 리드프레임을 수정한 파워 모듈을 각각 제작하여 동일한 환경에서 Double Pulse Test 환경을 갖추어 실험을 진행하였다. Case Type의 경우 기존 모델과 리드프레임을 수정한 모델을 비교할 때, 약 8.4% 손실이 감소하였고, Transfer molded Type의 경우 약 7.3% 감소하는 결과가 나타났다. 시뮬레이션 전력반도체 손실 결과와 비교하였을 때 조금씩 악화되는 경향과 제안한 모델로 실험하였을 때 전력반도체 손실이 감소하는 결과로 실험 연구의 타당성을 입증하였다.
따라서 본 논문은 제시한 리드프레임을 활용한 Stray Inductance를 저감 기법은 전력반도체 손실을 줄일 수 있는 방법으로 Case Type과 Transfer Molded Type의 SiC 파워 모듈의 전기적 고신뢰성과 고효율성을 동시에 개선할 수 있음을 확인하였다.
- URI
- http://hanyang.dcollection.net/common/orgView/200000723838https://repository.hanyang.ac.kr/handle/20.500.11754/189098
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- GRADUATE SCHOOL[S](대학원) > AUTOMOTIVE ENGINEERING(미래자동차공학과) > Theses (Master)
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