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저전력 드라이브용으로 적합한 ‘PFC+인버터’ IPM

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글/추병호, 장효상, 이준배, 이민섭, 정대웅, 인피니언 테크놀로지스 파워세미텍

머리말

이 글에서는 저전력 드라이브 용으로 적합한 인피니언의 새로운 ‘PFC+인버터’ IPM(intelligent power module)을 소개한다. 3위상 인버터와 단일 부스트 PFC 스테이지에 SOI(silicon on insulator) 게이트 드라이버까지 하나의 소형화된 DIL(dual-in-line) 트랜스퍼 몰디드 타입 패키지로 통합했다. 이 새로운 IPM을 사용하면 시스템의 크기와 비용을 크게 줄일 수 있다.
새로운 IPM의 내부 회로는 인버터 스테이지와 PFC 스테이지로 이루어졌다. 3위상 인버터 스테이지는 6개 600V 정격 TRENCHSTOP™ IGBT와 6개 이미터 제어 다이오드, 부트스트랩 회로를 제공하는 하나의 SOI 게이트 드라이버 IC, 온도 모니터링을 위한 서미스터를 포함한다. PFC 스테이지는 하나의 650V 정격 TRENCHSTOP™ IGBT와 빠르게 스위칭하는 이미터 제어 다이오드로 이루어져서 빠르고 매끄러운 스위칭 특성을 제공한다(그림 1).
비용 절감
모터 드라이브를 개발할 때 시스템 엔지니어가 가장 중요하게 고려해야 할 것 중의 하나는 총 시스템 비용을 최소화하는 것이다. 여기에는 IPM, 히트싱크, PCB 같은 원자재 비용뿐만 아니라 제품 개발에 걸리는 시간과 비용 또한 포함된다.

소형화된 트랜스퍼 몰디드 패키지

그림 2는 고도의 기능을 통합한 새로운 IPM의 패키지 외양을 보여준다. 이 새로운 IPM은 21mm x 36mm x 3.1mm 크기로 인피니언의 CIPOS™(Control Integrated POwer System) Mini 패키지를 적용하고 있다. 또한 이 IPM은 UL 승인(UL 1557 File E314539)을 취득하고 ROHS 규격을 충족한다.
또한 이 IPM은 서브스트레이트로서 열 전도가 우수한 DCB(direct copper bond)를 적용하여 열 성능이 뛰어나다. 그림 3은 이 새로운 IPM의 단면도를 보여준다. IGBT와 다이오드 같이 열을 발생시키는 요인들을 DCB 상에 탑재함으로써 패키지의 열 전달 능력을 극대화한다. 그러므로 이 새로운 IPM은 극히 소형화된 패키지로 최대 3kW 모터 드라이브에 사용하기에 적합한 뛰어난 솔루션을 제공한다.
히트싱크와 PCB 크기
통상적으로 열 소산을 위해서 모든 전력 반도체 소자를 하나의 히트싱크 위에 탑재한다. 그림 4는 이 새로운 IPM을 사용함으로써 PCB와 히트싱크 크기를 얼마나 줄일 수 있는지 보여준다. 디스크리트 전력 반도체와 드라이버를 하나의 패키지로 통합함으로써 어셈블리 공정 또한 간소화할 수 있다[2].
시스템 개발을 위해서는 새로운 회로 디자인, 아트워크, PCB 개발을 위해서 많은 시간이 소요된다. 그러므로 이 작업에 소요되는 시간을 단축하고 모터 드라이브 용으로 이 새로운 IPM을 빠르게 평가할 수 있도록 데모 보드를 개발했다. 이 보드는 모터를 구동하기 위한 기본적인 주변장치들을 탑재하고 있으며, 이 보드로 와이어 연결을 통해서 PWM 신호, +5/+15VDC 전원, PFC 인덕터, DC 링크 전해 커패시터 같은 것들을 연결할 수 있다.

650V 정격 PFC 스테이지

인피니언은 PFC IGBT 특성에 따라서 두 종류의 제품을 개발했다. 20kHz 스위칭 주파수 용으로 High Speed 3(HS3)을 사용한 제품과 40kHz 스위칭 주파수 용으로 TRENCHSTOP™ 5(TS5)를 사용한 제품이다(표 1). 인피니언의 재빠른 이미터 제어 다이오드는 PFC 토폴로지 용의 부스트 다이오드로서 TRENCHSTOP™ IGBT와 함께 동작하기에 최적화되었다. VF가 낮으므로 전도 손실을 낮추고, Irr이 낮으므로 IGBT의 Eon을 낮춘다[3]. 모든 전력 디바이스가 650V 정격이다. 그러므로 불안정한 AC 전력망에 대해서 더 높은 신뢰성과 견고성을 달성한다[4]...(중략)