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새로운 IGBT7을 사용하여 최고 전력 밀도 및 성능 제공

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글/Klaus Vogel과 Christoph Urban, 인피니언 테크놀로지스

차세대 반도체 개발은 인버터 제조업체의 시스템 비용을 줄이기 위해 전류 밀도를 증가시키는 것을 목표로 한다. 새로운 기술은 기존 인버터 시스템의 업그레이드를 용이하게 하도록 주어진 모듈 풋프린트에 구현하는 것이 중요하다. 이러한 접근 방법으로 빠르게 시장에 진입할 수 있다.
이를 달성하려면 향상된 IGBT 및 다이오드의 스위칭 특성이 선택된 모듈 하우징의 특성에 맞아야 한다. 이 경우 모듈 전류가 더 높고 모듈 스트레이 인턱턴스의 감소가 제한되기 때문에, 이는 특히 발진 특성과 관련된다. 동시에 높은 전류와 온도를 처리할 수 있으려면 하우징 향상이 중요한 고려사항이다.
새로운 디바이스를 사용하면 다음의 이점을 얻을 수 있다. 동일한 프레임 크기에 더 높은 인버터 출력 전류를 달성할 수 있고 IGBT 모듈을 병렬로 구성할 필요가 없다. 이러한 이점은 모두 인버터 시스템을 간소화하고 비용을 낮추도록 도와준다. 이 글에서는 범용 드라이브 애플리케이션을 위해 TRENCHSTOP™ IGBT7을 사용하는 새로운 EconoDUAL™3의 기술적 측면을 살펴보기로 한다.

타깃 애플리케이션

차세대 IGBT7의 타깃 애플리케이션의 하나는 전력 범위 90kW 이상인 범용 드라이브(GPD) 애플리케이션이다. 이전 IGBT4 기술에 비해 이점을 달성하기 위한 개선 수단을 이해하려면 일반적인 애플리케이션 파라미터를 고려해야 한다.
일반적으로 90kW 이상의 전력 범위에서 GPD의 스위칭 주파수는 2~2.5kHz 범위이다[1,2]. 대부분의 인버터 제조업체들은 불연속 펄스 폭 변조(DPWM)와 같은 향상된 변조 방법을 사용하여[3] 스위칭 손실을 전통적인 연속 변조 방식 대비 절반으로 줄인다[4].
IGBT7 개발과 다음의 조사를 위해 1kHz 및 2.5kHz의 스위칭 주파수를 모두 연속 PWM으로 선택하여 새로운 기술을 평가하기로 한다. 따라서 결과는 DPWM을 사용하는 더 높은 스위칭 주파수에 대해 유효하다.
또한 이 애플리케이션은 40℃의 최대 주위 온도에서 압출 알루미늄의 공냉 방열판을 사용하는 것이 특징이다. GPD 인버터의 공칭 전류는 다양한 과부하 전류 레벨에서 ND(normal duty) 및 HD(heavy duty) 과부하 펄스를 고려하여 지정된다. 그러므로 이러한 유형의 동작에서 허용되는 최대 IGBT 작동 온도도 고려해야 한다.
마지막으로 IGBT 턴온 및 턴오프 동안 전압 기울기(du/dt10-90%)의 최대 경사는 보통 모터 권선 수명과 드라이브 샤프트 부식[5] 및 전자기 적합성(EMC)으로 인해 최대 5kV/μs로 제한된다.
위에 언급된 애플리케이션 파라미터를 사용한 시뮬레이션은 전력 전자 모듈 FF60012ME4_B72로 구현되며, 결과는 그림 1에서 볼 수 있다.

[그림 1] 이 전력 등급의 350A 및 일반적인 GPD 조건에서 FF600R12ME4_B72 손실 분포

IGBT 및 다이오드의 전도 손실이 동적 손실에 비해 지배적이라는 것을 알 수 있다. 1kHz에서 전도 손실은 83%를 차지하고, 2.5kHz에서는 모든 반도체 손실의 65%를 차지한다. 이와 함께 전기 모터 관련 애플리케이션의 스위칭 속도를 5kV/μs 이상으로 높일 수 없다는 사실을 고려하면 디바이스 최적화를 위한 주요 수단은 정적 손실을 줄이는 데 있다는 결론으로 이어진다.

정적 손실

IGBT7 MPT 기술과 IGBT4의 대응하는 정규화된 출력 특성이 그림 2에 25℃, 125℃, 150℃ 온도 및 TRENCHSTOP™ IGBT7에 추가된 175℃에 대해 나와 있다.
두 IGBT 기술을 비교하면, 공칭 전류에서 Vce,sat가 2.05V에서 1.70V로 350mV 감소하는 것을 볼 수 있다. 이는 디바이스의 최적화를 보여준다.

[그림 2] Vge=15V에서 측정하여 1200V TRENCHSTOP™ IGBT7과 비교한 1200V TRENCHSTOP™ IGBT4 중간 전력의 정규화된 출력 특성

동적 스위칭

900A IGBT7 모듈의 턴온 손실(Eon)은 유사한 콜렉터 전류가 켜졌을 때 600A IGBT4 모듈보다 낮다. 실제로 포화 전압의 감소와 주어진 디바이스 유연성은 유사한 콜렉터 전류에서 600A IGBT4에 비해 900A IGBT7에서 더 높은 턴오프 손실을 발생시킨다. 그림 3에서 두 칩 기술에 대한 값을 볼 수 있다.

[그림 3] 콜렉터 전류 Ic에 따른 FF600R12ME4_B72와 FF900R12ME7_B11의 턴온 손실 Eon. 삽입된 설명은 Eon와 Eoff의 합 Etot를 보여준다.

선택한 외부 게이트 저항은 데이터 시트 값과 일치하며, 이 값은 25℃에서 IGBT와 다이오드의 컷오프 발진 없이 스위칭이 보장되는 방식으로 정의되었다. 또한 턴온뿐 아니라 턴오프 시에도 이러한 게이트 저항에서 매우 유사한 du/dt 값이 FF600R12ME4_B72 및 FF900R12ME7_B11에서 나타난다.
그 결과 Eon과 Eoff의 합인 전체 IGBT 손실(Etot)은 거의 동일하게 유지된다(그림 3에 삽입). 특히 600A 미만에서 두 모듈은 모두 동일한 손실을 보여준다.
IGBT 및 FWD 접합부 온도 규격

IGBT4는 연속 및 과부하 동작의 차이 없이 150℃의 지정된 동작 최대 온도 Tvj,op를 갖지만, IGBT7 Tvj,op 규격은 드라이브 제조업체가 지정한 일반적인 과부하 시나리오가 고려되며, 3초 및 60초 과부하 펄스를 지원할 수 있다. 연속 동작의 경우 IGBT7은 최대 60초 동안 150℃로 지정되고, 과부하 동작의 경우 175℃로 지정된다. 규격에 대한 자세한 내용은 [6]에서 볼 수 있다.

애플리케이션 테스트 및 결과

위에서 언급한 새로 개발된 FF900R12ME7_B11의 모든 특성은 FF600R12ME4_B72 디바이스와 비교하여 성능 향상을 보여준다. 두 디바이스의 성능을 평가하고 비교하기 위해 일련의 애플리케이션 테스트를 실시하였으며, 적외선 카메라로 온도를 평가했다. 테스트 파라미터는 1장에서 설명된 정보를 고려하여 설정되었으며, 표 1에 나와 있다.

[표 1] 애플리케이션에서 IGBT7과 IGBT4를 비교하기 위해 사용된 일반적인 GPD 파라미터. *요구되는 40°C의 주위 온도는 테스트 구성에서 조정할 수 없다.

출력 전류와 온도 감소

그림 4에서 1kHz 스위칭 주파수에서 예시된 실험 결과를 볼 수 있다.

[그림 4] 1kHz 및 표 1의 조건에서 출력 전류에 따른 IGBT 접합부 온도

1kHz 연속 PWM 및 동일한 출력 전류에서 IGBT7 기술을 사용하는 모듈은 IGBT4 디바이스에 비해 38도 더 낮은 온도로 동작하는 것을 볼 수 있다. 새로운 모듈을 지정된 온도 제한까지 높이면 출력 전류가 150A 더 높아진다. 150℃에서 IGBT7은 여전히 IGBT4에 비해 95A 더 높다는 이점을 갖는다.
또한 2.5kHz 연속 PWM 변조에서 새로운 기술의 이점은 크다. 동일한 전류에서 33도 더 낮은 온도, 그리고 150℃에서 70A, 175℃에서 110A 더 많은 최대 출력 전류를 달성할 수 있다.

DC 단자 온도 감소

그림 5는 FF900R12ME7_B11의 새로운 하우징을 사용하여 달성된 온도 감소를 FF600R12ME4_B72와 비교하여 보여준다.
FF900R12ME7_B11 모듈의 새로운 하우징은 동일한 출력 전류에서 FF600R12ME4_B72에 비해 DC 버스바에서 최대 20도 온도 감소를 가져다준다.

[그림 5] 새로운 하우징과 이전 하우징의 DC 버스바 온도를 비교한 온도 향상

GPD 프레임 크기

테스트의 이 부분에서 서로 다른 기술에 대한 최대 가능한 프레임 크기 전류를 평가하기 위해 GPD 제조업체의 ND(normal duty)와 HD(heavy duty)에 대한 출력 전류와 관련된 파라미터[1]를 선택하였다. 파라미터는 표 2에 나와 있다.

[표 2] 두 모듈의 프레임 크기 성능을 테스트하기 위해 선택한 파라미터

정격 출력 전류를 2.5kHz에서 표 1에 나와 있는 조건으로 반도체에 인가했다. 전체 시스템의 온도가 과부하 전류 애플리케이션 전에 안정 상태가 되었다. 시스템의 열 특성은 그림 6의 예에서 볼 수 있다. IGBT4 솔루션은 370A 프레임 크기에서 온도 제한에 걸린다. 3초 HD(heavy-duty) 과부하 펄스 동안 IGBT Tvj는 142℃ 값을 달성한다.

[그림 6] 프레임 크기 477?A, FF900R12ME7_B11 디바이스: 정격 전류 ND(normal-duty) 및 HD(heavy-duty) 과부하 펄스에서의 측정 결과

IGBT7 디바이스는 477A 프레임 크기 요구사항을 충족할 수 있다. 모든 필요한 전류 레벨에서 FF900R12ME7_B11은 여전히 제시된 IGBT7 규격 내에 있다[6].
테스트에서 주위 온도가 요구되는 40℃가 아닌 20℃였기 때문에 달성된 결과는 비교 목적으로만 유효하다. 따라서 인버터 제조업체는 향상된 방열판와 불연속 PWM을 사용하거나 스위칭 주파수를 감소시킴으로써 40℃에서 동일한 출력 전류를 달성할 수 있다.

요약

새롭게 개발된 IGBT7과 이미터 제어7 다이오드 칩셋은 사용자에 친숙하며 범용 드라이브(GPD) 요구사항을 충족하도록 최적화되었다. 모든 애플리케이션 관련 전류 레벨에서 정적 손실의 대폭적인 감소, 우수한 제어 가능성, 충분한 유연성 및 높은 단락 회로 성능이 달성되었다. 드라이브 과부하 요구사항을 지원하는 EconoDUAL™3 하우징 향상과 새로운 온도 규격은 인버터 설계 엔지니어에게 높은 수준의 자유를 제공한다.
시행된 애플리케이션 테스트는 이전 세대와 비교할 때 괄목할 만한 향상된 성능을 보여주었다. 새로운 FF900R12ME7_B11은 동일한 전류에서 FF600R12ME4_B72에 비해 38도 더 낮은 온도를 달성한다. 또는 최대 150A 더 높은 출력 전류를 달성할 수 있다. 일반적인 GPD ND(normal-duty) 및 HD(heavy-duty) 설계 기준을 염두에 두면, IGBT4 대신 IGBT7을 사용하는 EconoDUAL™3 하우징을 이용해 프레임 크기를 370A에서 477A로 크게 높일 수 있다.

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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