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불연속 영역 조정 변조 기반 2-레벨 인버터 열 제어 기법

  • 이경구 (아주대학교 일반대학원)

초록/요약

본 논문에서는 SiC (Silicon carbide) 전력반도체가 적용된 2-레벨 인버터 전력 변환기를 대상으로, 불연속 변조 방식(Discontinuous pulse width modulation, DPWM) 을 이용하여 전력 손실과 접합 온도를 저감하고, 목표 온도에 따라 접합 온도 를 능동적으로 제어하는 변조 및 제어 기법을 제안한다. SiC 전력 모듈이 적용된 2-레벨 인버터를 대상으로 도통 손실과 스위칭 손실 을 반영한 평균 손실 기반 전력 손실 모델을 정립하고, 데이터시트로부터 추출 한 열 저항 및 열 용량 파라미터를 이용하여 RC 열 등가 모델을 구성한다. 이 를 통해 변조 방식과 운전 조건 변화에 따른 접합 온도 변화를 예측할 수 있는 분석 프레임워크를 제시한다. 삼각파 비교 변조 방식(Sinusoidal pulse width modulation, SPWM) 및 공간벡터 변조 방식(Space vector pulse width modulation, SVPWM)과 같은 연속 변조 방식과 버스 클램핑을 이용하는 다양한 DPWM 변 조 방식을 동일한 조건에서 비교 및 분석하고, 불연속 구간의 클램핑 각도가 스위칭 손실, 도통 손실, 그리고 접합 온도에 미치는 영향을 분석한다. 기존의 전압각 기반 DPWM이 상전류의 위상 정보를 반영하지 못하는 한계를 고려하 여 상전류의 위상각을 기준으로 불연속 구간을 배치 및 조정하는 전류각 기반 DPWM 변조 방식을 적용하고, 피크 전류 구간에서 스위칭을 회피함으로써 SiC 모듈의 스위칭 손실과 열 스트레스를 효과적으로 저감할 수 있음을 보인다. 제 안하는 열 제어 기법은 평균 손실 모델에서 도출된 손실 프로파일과 열 모델을 결합하여 DPWM 불연속 구간에 따른 손실 전력 및 접합 온도의 관계를 연속 적인 프로파일 형태로 정리하고, 목표 접합 온도에 대응하는 최적 DPWM 불연 속 구간을 조정하는 열 제어 기법을 제안한다. 제안된 기법은 추가 하드웨어나 능동 게이트 드라이버 없이, 변조 기법만을 사용하여 SiC 전력 모듈의 접합 온 도를 기준 값 이하로 유지하는 것을 목표로 한다. 시뮬레이션을 통해 목표 온 도 변경에 따라 불연속 구간이 재조정되고 실제 접합 온도가 설정된 목표 온도 에 수렴하는 동특성을 확인한다. 불연속 구간을 확대할수록 스위칭 손실 및 접 합 온도는 감소하지만, 출력 전류의 전고조파왜곡(Total harmonic distortion, THD) 이 증가하는 특성을 분석하고 손실, 온도 그리고 파형 품질을 동시에 고려한 설계 기준을 제시한다. 제안된 전류각 기반 DPWM 및 열 제어 기법을 전력변 환기 시스템에 적용하여 실제 부하 조건 변화에 따른 SiC 기반 구동 시스템의 전력 손실 및 열 특성이 개선되고, 장기 운전 시 열 신뢰성이 향상됨을 시뮬레 이션과 실험 결과를 통해 검증한다

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목차

제 1 장 서 론 1
1.1 연구의 배경 1
1.2 연구의 목적 4
제 2 장 전력반도체 소자의 신뢰성 6
2.1 전력전자 시스템과 신뢰성 6
2.2 전력반도체 모듈 구조와 고장 매커니즘 9
2.3 신뢰성 확보를 위한 변조방식 15
제 3 장 2-레벨 인버터 시스템 18
3.1 2-레벨 인버터 동작 원리 18
3.2 불연속 PWM 변조 방식 22
제 4 장 전력반도체의 손실 및 온도 저감 전략 33
4.1 인버터 시스템의 전력 손실 33
4.2 온도 모델링 42
4.3 불연속 구간 조정에 따른 손실 및 온도 저감 47
제 5 장 제안하는 전력반도체의 열 제어기법 55
5.1 불연속 구간 조정 55
5.2 손실과 온도 프로파일 59
제 6 장 시뮬레이션 결과 63
제 7 장 실험 결과 69
제 8 장 결론 및 요약 78
제 9 장 참고문헌 81
Abstract 91

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