조수억
(Su-Eog Cho)
1iD
송성근
(Sung-Geun Song)
†iD
-
(Associate Professor, Seoil Univ)
Copyright © The Korean Institute of Illuminating and Electrical Engineers(KIIEE)
Key words
HVDC, IGBT, Junction Temperature, Life Time, MMC, Power Loss
1. 서 론
전력용 반도체 소자의 발전과 더불어 DSP와 같은 고성능 디지털 마이크로프로세서의 발달은 첨단 디지털 제어기법을 전력전자 응용분야로 적용 가능케 하였으며
제어기 및 전력 변환기기 자체의 부피와 무게, 그리고 가격의 감소는 각종 전력 변환기기를 보편화 시켰다. 전력용 반도체소자의 단위 스위칭 당 스위칭
에너지 손실은 감소 추세에 있지만 스위칭 주파수가 증가됨에 따라 단위 시간당 스위칭 손실은 감소되지 않았음을 의미한다(1)(2).
전압형 HVDC는 교류가 아닌 직류로 전력을 전송하는 방식으로 저전력 손실과 낮은 노이즈로 차세대 전력전송 방식으로 주목받고 있다. 하지만, 직류
전송 방식은 전력변환장치의 가격이 비싸다는 단점이 있고, 장점으로는 계통을 안정화시키고, 전송 선로의 길이에 제한이 없으며, 교류 전송에 비해 직류
전송은 낮은 전자파가 장점이다(3)(4).
본 논문에서는 HVDC MMC의 Loss profile에 따라 전력변환장치 스위칭 소자(IGBT)의 전력손실을 Matlab의 Simscape로 시뮬레이션
하였다. 그리고 이를 확인하기 위하여 해당 IGBT 모듈을 오픈하여 적외선 카메라로 측정하였다. 전력변환장치의 전력손실은 온도 상승을 초래한다. 이는
수명과 반비례하므로 최적의 IGBT 수명을 산출하기 위하여 전력손실 계산은 필요하다.
2. 본 론
2.1 HVDC MMC SM(Sub Module)의 전력손실
Fig. 1. MMC System Diagram for HVDC
전력 반도체의 전도(conduction) 손실 및 스위칭(swiching) 손실에 영향을 주는 전력용 반도체의 파라미터들이 전압과 전류에 증가 혹은
감소하기 때문에 좀 더 정확한 시뮬레이션을 위하여 각 파라미터별로 영향을 확인하여 시뮬레이션에 적용하였다. 그림 2는 게이트 에미터 간 전압이 증가할수록 컬렉터 에미터 간 포화 전압이 감소함을 보여준다. 이 컬렉터 에미터 간 포화전압은 전력 손실 중 전도 손실과
관계가 있다.
Fig. 2. Gate Emitter Voltage($bold V_{G E}$) VS. Collector Emitter Voltage($bold V_{CE}$) for DIM1200ASM45
Fig. 3. Turn-on($bold E_{ON}$)/off($bold E_{OFF}$) energy in proportion to current($bold I_{C}$) for DIM1200ASM45
그림 3은 전류가 증가할수록 턴-온 에너지 및 턴-오프 에너지가 증가함을 보여주는 전력용 반도체 파라미터이다. 그림 4는 게이트 저항이 증가할수록 턴-온 에너지 및 턴-오프 에너지가 증가함을 보여주는 전력용 반도체 파라미터이다. 그림 5는 온 펄스가 유지 시간에 따라 달라지는 IGBT 과도상태 열 임피던스를 보여 준다(6).
Fig. 4. Transient thermal impedance of IGBT for DIM1200ASM45
HVDC용 MMC SM에서는 전력손실을 계산하기 위해 부하에 따른 각 상의 듀티 사이클 및 각 상의 전류, 전압 그리고 스위칭 주파수를 계산한다.
전력 반도체의 수명은 전력 반도체 정션과 케이스 사이의 온도 상승 치에 지수함수로 반비례한다. 전력 반도체의 정션과 케이스 사이의 온도 상승의 주요한
요인으로는 스위칭 주파수, 부하 전류의 크기, 주파수, 역률 등이다. 스위칭 주파수를 줄이거나 부하 전류의 크기를 줄여서 전력 반도체의 손실로 인한
온도 상승을 줄이는 것이 가능하다. IGBT의 정션 온도는 식 (1), 식 (2), 식 (3)에 따른다(5).
여기서 $d T_{jc}$(케이스에 대한 정션의 온도 상승), $d T_{cs}$(방열판에 대한 케이스의 온도 상승), $d T_{js}$(방열판에
대한 졍션의 온도 상승)이며, $Z_{cs}$(방열판에 대한 케이스의 임피던스) 및 $Z_{jc}$(케이스에 대한 졍션의 임피던스)의 값은 메이커에서
제공한다.
2.2 HVDC MMC SM(Sub Module)의 IGBT 온도 측정 및 계산
HVDC MMC 타입의 SM용 IGBT의 전력손실 시뮬레이션 값과 온도 실측치를 비교하기 위하여 전력용 반도체(IGBT)를 개방하여 그림 6과같이 IR Sensor 및 Thermo- couple (1 – 6) 온도 센서를 장착하여 시험하였다. 그림 5는 HVDC MMC SM용 IGBT (DIM1200ASM45)의 졍션 온도를 측정하기 위한 장치이다. 부하로는 직렬저항(3.6 [Ω])을 사용하였으며,
IGBT의 졍션 온도를 측정하기 위해 고속(1.5[ms]) 비접촉 온도 센서(IR Sensor)을 사용하였다.
주위온도 및 히트싱크 부위별 온도를 측정하기 위하여 Thermo couple을 위치(1–6)별로 설치하였다. 전원공급 장치의 정격은 1500[V],
128[A]/500[V], 384[A]를 사용하였다.
Fig. 5. Test devices of IGBT (DIM1200ASM45) junction temperature for HVDC MMC SM
Fig. 6. IR sensor and thermo-couple positions 1- 6
그림 7은 450[V]로 스위칭 주파수 400[Hz] 0.5 Duty,부하저항은 직렬저항 3.6[$\Omega$]으로 구동한 경우, HVDC MMC SM용
IGBT (DIM1200ASM45)를 개방하여 측정한 열화상 카메라 온도 분포이다. 이 경우, 적용 전압을 낮게 한 이유는 적용 IGBT의 졍션 온도를
측정하기 위하여, 적용 샘플 IGBT모델의 케이스를 개방하였고, 절연을 확보하기 위해 충전된 젤을 제거하여, 절연 확보가 되지 않기 때문에 450[V]
로 전압을 인가하였다. IGBT 졍션의 온도는 1번 위치에서 50.4 [°C]이다. 그림 8은 이 경우, 그림 6의 IR Sensor 및 Thermo-couple 위치 1 - 6 위치에서 온도 그래프이다.
Fig. 7. IGBT part Infrared Thermal Camera Temperature Distribution
Fig. 8. Temperature graph of IR sensor and thermo- couple position 1 ~ 6
IR Sensor(Tj) 1번은 개방된 IGBT 졍션의 온도를 측정하였으며 50.4[°C]이다. Thermo couple 2번은 그림 6의 2의 위치에서 히트싱크 온도를 측정하였으며 39[°C]이다.
Thermo couple 3번은 그림 6의 3의 위치에서 히트싱크 온도를 측정하였으며 35[°C]이다. Thermo couple 4번은 그림 6의 4의 위치에서 히트싱크 온도를 측정하였으며 35[°C]이다. Thermo couple 5번은 그림 6의 5의 위치에서 히트싱크 온도를 측정하였으며 30[°C]이다. Thermo couple 6번은 주위온도로써 27[°C]이다. Thermo couple
6번(주위온도)에 대한 Thermo couple 5번의 변화분(delTh5)은 3[°C], Thermo couple 6번(주위온도)에 대한 Thermo
couple 3,4번의 변화분(delTh3,4)은 8[°C], Thermo couple 6번(주위온도)에 대한Thermo couple 2번의 변화분(delTh2)는
12[°C], Thermo couple 6번(주위온도)에 대한 Thermo couple 1번의 변화분(delTjc)은 23[°C]이다.
Fig. 9. Junction temperature simulation of IGBT (DIM1200ASM45) for HVDC MMC SM by Matlab(Simscape)
Fig. 10. Junction temperature (46.5[°C]) graph of IGBT (DIM1200ASM45) for HVDC MMC SM by Matlab(Simscape)
그림 7과 그림 8의 개방된 IGBT 졍션의 측정치 50.4 [°C] 와 같은 조건에서 계산한 그림 9와 10의 IGBT 졍션의 시뮬레이션치 46.5[°C]를 비교하면 측정치 대비 시뮬레이션치는 약 83[%]로 17[%]의 오차가 발생된다.
3. 결 론
HVDC MMC 타입의 SM용 IGBT의 전력손실 시뮬레이션 값 과 온도 실측치를 비교한 결과 개방된 IGBT 졍션의 측정치 50.4 [°C] 와
IGBT 졍션의 시뮬레이션치 46.5[°C]를 비교하면 측정치 대비 시뮬레이션치는 약 83[%]로 17[%]의 오차가 발생 된다. 이 오차의 추정
원인으로 IGBT의 전력손실의 경우, 온도 와 구동 전압에 따라 전도 손실 및 스위칭 손실이 다른데, 케이스가 개방된 IGBT는 절연 때문에 낮은
전압으로 구동하여야 하므로, 본 논문에서는 450[V]로 구동하였으며, 이는 파라메터 특성별로 데이터 시트에 나타나 있지 않아서 이를 각 파라메터(parameter)별로
extrapolation을 적용하여 시뮬레이션 하였기 때문이다. 또한, HVDC MMC 구동MODE별 상세분석을 통하여 전도손실과 스위칭 손실의 연관
특성 검증이 추가적으로 필요할 것이다.
Acknowledgements
본 연구는 산업통상자원부(MOTIE)와 한국에너지기술평가원(KETEP)의지원을 받아 수행한 연구과제입니다.(No. 20179310100050)
References
William W. Sheng, Ronald P. Colino, 2004, Power Electronics Modules Design and Manufacture,
CRC PRESS
Jerry E. Sergent, Al Krum, 1998, hermal Management Handbook for Electronics Assemblies,
Mc Graw Hill
Kim Ryang-Kyu, Lee Sang-Jung, 2017, Technical Trends of HVDC MMC in Power Electronics,
Power Electronics Conference, pp. 389-390
Kim Ji-Hun, Jung Hong-Ju, 2016, MMC type voltage type HVDC control system and converter
system technology development status., KIPE MAGAZINE, Vol. 21, No. 1, pp. 40-47
Cho Su-Eog, OCT 2007, Optimal design of power loss for 3 phase voltage source inverter
by using thermal management, Trans KIEE, Vol. 56, No. 10
https://dynexsemi.com//datasheet//DIM1200ASM45-TS000 ,
Biography
He received the B.S., M.S. and Ph.D. degrees in Electrical Engineering from Pusan
National University, Korea in 1993, 2002 and 2005, Joined LG Industrial Systems in
January 1993 ～ November 2004 Senior Engineer, Power Electronics Team, OTIS_LG Engineering
Center.
As of March 2006, he is currently an associate professor in the Department of Electrical
Engineering at Seoil University.
He received the B.S., M.S. and Ph.D. degrees in Electrical Engineering from Chonnam
National University, Korea in 1998, 2000 and 2007, respectively.
Since 2007, he has been with the Energy conversion research center, Korea Electronics
Technology Institute (KETI) as a Principal Researcher.