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전력 모듈에 전류 측정을 통합하여 인버터 비용 절감


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글/Klaus Vogel, Michael Gadermann, Andreas Schmal, Christoph Urban, 인피니언 테크놀로지스


비용 절감과 전력 밀도 향상은 긴 수명과 함께 차세대 인버터 개발의 주요 과제이다. IGBT와 다이오드의 전기적 성능과 상호연결 기술은 시간이 지남에 따라 끊임없이 발전해 왔다. 또 다른 비용 절감이 가능한 방안은 전력 모듈 내부에 전류 측정을 위한 션트를 도입하여 75kW 이상의 전력 레벨에서 인버터의 AC 전류를 측정하는 전류 홀 센서를 대체하는 것이다.
이 글에서는 75kW 이상의 전력 범위에서 인버터 전력 모듈에 내부 션트를 도입함으로써 얻을 수 있는 효과를 특히 비용 절감, 성능 향상 및 간소화된 인버터 설계 측면에서 설명한다. 전류 감지는 속도/토크 제어, 과전류 및 단락 회로 검출과 같은 보호 기능을 위해 필요하다. 전류 측정의 종류는 전력 레벨, 비용 목표, 정확도 요구사항, 사용 가능한 물리적 공간 등 다양한 요인에 따라 달라진다.

참고문헌 [1]에는 다른 가능한 전류 측정 기술을 자세히 설명하고 분석하고 있다. 이들 기술은 표 1에 요약되어 있다.

Table 1.png

[표 1] 전류 측정을 위한 3가지 다른 방법의 주요 차이점

혁신
IGBT 모듈 내부에 션트를 구현할 경우 75kW 이상의 인버터 전력 범위에서 250mV 입력 전압을 갖는 시그마- 델타 변조기와 션트를 사용할 수 있다. 50mV의 입력 전압으로 동작할 수 있는 새로운 시그마- 델타 변조기[2]의 개발은 향후 시스템에서 션트의 전력 손실을 낮출 수 있게 도와줄 것이다. 인피니언은 AC 출력에 션트 저항을 통합한 모듈의 포트폴리오를 개발했다. 표 2에서는 현재 사용 가능한 제품 개요를 볼 수 있다.

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[표 2] 현재 사용 가능한 인피니언의 션트가 통합된 IGBT 모듈 제품 라인업

션트의 중요한 특징은 넓은 온도 범위에서 탁월한 선형성으로 전류를 측정할 수 있게 하는 온도 안전성이다. 인피니언에서 사용하는 션트는 ±0.3% 미만으로 온도에 대한 오차를 갖는다. 배치된 션트에 대한 세부 사항은 참고문헌 [3]에서 확인할 수 있다.

인버터 설계 ? 부품 수 감소
인버터 설계의 단순화는 BOM과 생산 비용을 줄이면서 시스템 신뢰성과 전력 밀도를 증가시키는 것을 목표로 하는 새로운 세대의 인버터 개발에서 핵심적인 요구사항의 하나이다. 전류 측정을 전력 전자 모듈에 통합할 경우 이러한 과제를 해결하는 데 크게 도움이 된다.

그림 1은 홀 이펙트 센서를 사용하는 일반적인 240kW 3상 시스템과 내부 션트 저항을 사용하는 향상된 시스템을 보여준다.

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[그림 1] 240kW 3상 시스템의 예: (a) 홀 이펙트 센서를 사용하는 시스템, (b) 내부 션트를 사용하는 시스템 (c) 두 시스템 간 부품 차이. 그림 (c)에 보이는 부품들을 절약할 수 있다.

내부 션트를 사용하면 전체 부품 수를 줄일 수 있다. 이렇게 하는 경우, 종종 출력 버스바 설계에서 홀 이펙트 센서 구경을 통과해야 하는 제약이 없어져 설계를 간소화할 수 있다. 또한 홀 이펙트 센서를 연결하는 데 필요한 나사와 홀 이펙트 센서를 PCB에 연결하는 케이블을 사용할 필요가 없다. 이러한 변화는 BOM 절감과 생산 시간 단축으로 이어지고, 이에 따라 인버터 비용을 줄이고 시스템 신뢰성을 높일 수 있다.

인버터 설계 - 열 측면

전류 홀 센서를 사용할 경우 버스바의 최대 온도를 고려해야 한다. 일반적인 센서는 사용하는 디바이스에 따라 85°C 또는 105°C 미만 케이스 온도에서 동작하도록 규정된다(참고문헌 [1], [4] 참조). 션트를 사용하는 솔루션의 경우 열 측면은 다르다. 션트 전류 측정의 작동 원리는 부하 전류가 저항을 흐르면, 그 결과 발생하는 전압 강하를 측정한다. 이는 션트 저항에서 전력 손실을 발생시킨다. 인버터 설계자는 최대 션트 온도인 200°C를 넘지 않도록 주의해야 한다. 모듈 데이터시트는 중요한 파라미터를 지정하고 있다.

정확한 션트 온도 추정치를 얻으려면 인버터의 최대 동작 지점에서 션트 아래 방열판 온도를 알아야 한다. 최대 방열판 온도를 알면 션트 저항의 온도를 쉽게 계산할 수 있다. 자세한 내용은 “애플리케이션 테스트” 섹션에서 다루기로 한다.


장착 공정과 시스템 신뢰성

전류 홀 센서를 모듈 내부의 션트로 대체하는 새로운 개념은 장착 공정을 간소화하고 시스템 신뢰성을 증가시킨다. 기존 전류 홀 센서와 션트 모듈의 직접적인 비교는 인버터 공정과 설계에서 션트 방식이 많은 추가적인 장점을 갖는다는 것을 보여준다. 기존 방법은 나사를 이용해 전류 홀 센서를 를 버스바에 조립하고 케이블을 PCB에서 센서로 연결하는 등 수동 작업 단계가 추가돼 쉽게 결함으로 이어질 수 있다.

이러한 단계는 생산 시간을 소비하고 비용을 증가시킨다. 뿐만 아니라 케이블-플러그 연결의 사용은 언제나 몇 가지 명백한 제조 위험을 동반한다. 플러그는 적절히 연결되지 않을 수 있으며, 심지어 작업자가 완전히 빠뜨릴 수 있는데, 이러한 경우 최종 테스트에서 결함이 발생돼 생산 과정에서 추가적인 재작업이 발생할 수 있다.

인버터의 수명 동안 진동으로 인해 플러그나 연결이 간헐적으로 끊어져 장치 고장으로 이어질 수 있다. 반면에 션트 모듈은 생산 중 어떤 추가적인 장착 단계도 필요하지 않다.

경제적 이득
전류 홀 센서, 특히 폐쇄형 유형은 션트 저항에 비해 매우 비싸다. 고려해야 할 점은 “표준 모듈과 전류 홀 센서”를 “내부에 션트 저항을 통합한 모듈”로 간단히 교체함으로써 오는 비용 이점은 이뿐만이 아니다. 센서를 PCB에 연결하는 케이블과 홀 이펙트 센서 구경을 통과하도록 설계되는 AC 버스바 설계는 BOM 비용을 증가시킨다.

이 밖에도, 새로운 솔루션을 사용하면 인버터 조립 시간을 단축할 수 있다. 버스바 주변에 센서를 배치할 필요가 없고, 이를 고정하기 위한 나사도 필요 없으며, 센서를 PCB에 연결하기 위한 케이블도 필요하지 않다. 경제적 이득을 계산해 보면 션트가 통합된 IGBT 모듈을 사용할 경우 이로 인한 인버터 장착 시간은 1.5분 단축되고 생산 비용은 시간당 30유로가 절감되는 것으로 추정됐다. 그림 2는 인버터 비용을 얼마나 절감할 수 있는지 보여준다.

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[그림 2] 전류 홀 센서 솔루션과 비교해 션트가 통합된 IGBT 모듈(IFF600B12ME4P_B11) 사용으로 인한 비용 절감. 홀 이펙트 센서 솔루션의 경우: 3개 모듈, 3개 홀 이펙트 센서, 3개 케이블, 12개 나사, 1개 홀 이펙트 센서 캐리어, AC-버스바 부품, 1.5분 제조 시간. 션트 기반 솔루션의 경우: 3개 모듈, 3개 델타-시그마 변조기, 1개 시그마-델타 복조기 비용

비용 이점이 매력적임을 가시적으로 확인할 수 있다. 개방형 전류 홀 센서를 사용하는 레퍼런스 솔루션의 경우 비용 절감은 20유로 정도이다. 폐쇄형 전류 홀 센서 비교의 기준으로 사용할 경우 션트가 통합된 모듈은 약 50유로의 가치를 절약할 수 있다.

새로운 션트 기반 모듈을 사용한 애플리케이션 테스트

새로운 션트 기반 모듈의 성능을 평가하기 위해 애플리케이션 조건 하에서 열 테스트가 수행되었다. 테스트 디바이스는 IFF600B12ME4P_B11 모듈이다. 두 디바이스는 모두 적외선 카메라를 사용하여 내부 온도를 평가하기 위해 내부칩이 젤 없이 검정색으로 칠해졌다. 또한 온도측정 커플을 상단 시스템의 중간 IGBT 아래 및 중간 션트 아래 히트싱크에 배치했다. 션트, IGBT, 히트싱크 및 주변부의 동작 조건과 온도는 그림 3에서 볼 수 있다.

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[그림 3] 션트의 최대 동작 지점에서 션트, IGBT, 히트싱크 및 주변부의 동작 조건 및 온도

390A의 출력 전류에서 션트는 200°C의 최대 허용 온도를 달성했다. 이 동작 지점에서 IGBT 접합부 온도는 144°C로, 자체 최대 허용 온도에 매우 가깝다. IGBT와 션트의 계산은 적절한 균형을 이루고 있다고 결론 내릴 수 있다. NTC와 션트 아래 히트싱크 온도 간 차이는 20도 이상일 수 있으며, 이는 히트싱크와 동작 조건에 따라 달라진다. 따라서 인버터 설계 단계에서 이러한 종류의 테스트를 수행하여 션트 온도 계산을 위한 정확한 온도 조건을 찾는 것이 바람직하다. 그림 3의 예제를 사용할 경우 션트 온도는 다음과 같이 계산할 수 있다.

션트 온도 계산은 측정된 값에 매우 가깝다.

요약

지금까지 75kW 이상의 전력 범위에서 인버터를 위한 홀 이펙트 센서 대신 전력 모듈에 통합된 션트 저항을 사용하는 이점을 살펴보았으며, 경제적 및 기술적 이점을 자세하게 알아보았다. 인버터 비용은 개방형 전류 홀 센서 시스템과 비교할 때 20유로, 폐쇄형 전류 홀 센서 시스템과 비교할 경우 50유로를 절약할 수 있다. 새로운 솔루션은 더 적은 부품, 케이블과 커넥터 수, 향상된 EMI 견고성으로 인해 시스템 신뢰성을 증가시킨다. 이 밖에 실제 애플리케이션에서 전기적 및 열 성능을 확인했다.


참고문헌

[1] K. Vogel et al., System Cost Reduction with Integration of Shunts in Power Modules in the Power Range above 75 kW, PCIM 2018

[2] Mouser Electronics, “Texas Instruments AMC1303x High-Precision Delta-Sigma Modulators” https://www.mouser.it/new/Texas-Instruments/ti-amc1303-modulators/

[3] U. Schwarzer et al., "IGBT Module with integrated Current Measurement Unit using Sigma-Delta Conversion for direct Digital Motor Control“, PCIM 2010

[4] LEM Holding SA, Datasheet of Current Transducer HTFS 200…800-P, www.lem.com



저자소개
*미하엘 가더만(Michael Gaderman)은 인피니언 테크놀로지스(독일 바르슈타인)의 기술 마케팅 매니저이다. IGBT 전력 모듈을 중점적으로 담당하고 있다.

*크리스토프 우르반 박사(Dr. Christoph Urban)는 모듈 개발 부서의 전기 엔지니어이다. 1200V 및 1700V에 초점을 맞춘 중전력 모듈을 담당한다.

*안드레아스 슈말(Andreas Schmal)은 인피니언 테크놀로지스(독일 바르슈타인)의 기술 마케팅 연구소에서 측정을 맡고 있다.

*클라우스 포겔(Klaus Vogel)은 인피니언 테크놀로지스(독일 바르슈타인)에서 IGBT 전력 모듈의 기술 마케팅을 맡고 있다. 이에 앞서 품질 부서에서 고객불만 관리자 및 고장 분석가로, 애플리케이션 및 시스템 엔지니어로 활동했다.

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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