고전압 전력반도체 소자 구현을 위한 확산 공정 최적화에 대한 연구

김봉환,김덕열,이행자,최규철,장상목 한국청정기술학회 2022 청정기술 Vol.28 No.3

The demand for high-voltage power devices is rising in various industries, but especially in the transportation industry due to autonomous driving and electric vehicles. IGBT module parts of 3.3 kV or more are used in the power propulsion control device of electric vehicles, and the procurement of these parts for new construction and maintenance is increasing every year. In addition, research to optimize high-voltage IGBT parts is urgently required to overcome their very high technology entry barrier. For the development of high-voltage IGBT devices over 3.3 kV, the resistivity range setting of the wafer and the optimal conditions for major unit processes are important variables. Among the manufacturing processes to secure the optimal junction depth, the optimization of the diffusion process, which is one step of the unit process, was examined. In the diffusion process, the type of gas injected, the injection time, and the injection temperature are the main variables. In this study, the range of wafer resistance (Ω cm) was set for the development of high voltage IGBT devices through unit process simulation. Additionally, the well drive in (WDR) condition optimization of the diffusion process according to temperature was studied. The junction depth was 7.4 to7.5 ㎛ for a ring pattern width of 23.5 to25.87 ㎛, which can be optimized for supporting 3.3 kV high voltage power devices. 고전압 전력반도체의 수요는 산업의 전반에 걸쳐 증가하고 있는 추세이며, 특히 자율주행이나 전기자동차와 같은 교통 수단에 이용되는 경우 전동차의 동력 추진 제어 장치에 3.3 kV 이상의 IGBT 모듈 부품이 사용되고 있으며, 전동차의 신설과 유지관리에 따른 부품의 조달이 매년 증가하고 있다. 게다가 기술 진입 장벽이 매우 높은 기술로서 해당 산업계에서는 고전압IGBT부품의 최적화 연구가 절실히 요구되고 있다. 3.3 kV 이상 고전압 IGBT 소자 개발을 위해 웨이퍼의 비저항 범위 설정과주요 단위 공정의 최적 조건이 중요한 변수이며, 높은 항복 전압을 위한 핵심 기술로 junction depth의 확보가 무엇보다 중요하다. 최적의 junction depth를 확보하기 위한 제조 공정 중에서 단위 공정 중 한 단계인 확산 공정의 최적화를 살펴보았다. 확산공정에서는 주입되는 가스의 종류와 시간 그리고 온도가 주요 변수이다. 본 연구에서는 단위 공정의 시뮬레이션을 통하여 고전압 IGBT 소자 개발을 위한 웨이퍼 저항의 (Ω ㎝) 범위를 설정하고, 확산 공정의 온도에 따른 확산 공정의 WDR(Well drive in) 조건 최적화에 대하여 연구한 결과 링 패턴의 width 23.5 ~ 25.87 ㎛에 대하여 junction depth는 7.4 ~ 7.5 ㎛를 얻어 3.3 kV 고전압 전력반도체 지지에 최적화할 수 있었다.

전기차용 7kW급 고전압 히터 유로 형상 설계를 위한 열유동 시뮬레이션

손권중 한국융합학회 2022 한국융합학회논문지 Vol.13 No.3

Unlike an international combustion engine car, a battery-powered electric vehicle requires an additional heat source for its heating system. A high-voltage coolant heater has the advantages of high efficiency and a wide operating temperature range. In its development, the geometry design of the coolant flow path is essential. This paper presents the thermal flow simulations of a 7kW high-voltage heater with symmetric serpentine flow channels arranged parallelly. The heater performance was evaluated from the simulation results in terms of the pressure and temperature differences and the flow uniformity. The proposed design showed a greater flow resistance and similar heat exchanging capability than the existing parallel serpentine design. It has the advantage of a relatively wide low-temperature surface area, where the control circuit board susceptible to high temperatures can be located. 내연기관 자동차 히터는 연소과정 중에 발생하는 엔진 열을 이용하므로 열원이 추가로 필요치 않지만, 배터리로부터 동력원을 얻는 전기자동차용 히터는 별도의 전열 장치가 요구된다. 지금까지 개발된 전기차용 히터 중에서 냉매를 이용하는 고전압 히터는 효율이 높고 작동 온도 범위가 넓은 장점이 있다. 고전압 히터 내부의 냉각수 유로의 형상은 열교환 성능을 크게 좌우하므로 히터 개발 시 유로 설계는 기술적으로 매우 중요하다. 본 논문에서는 대칭형 서펜타인 유로를 갖는 7kW급 고전압 히터의 유로 형상 설계를 위해 고전압 열유동 시뮬레이션을 수행하였다. 해석 결과로부터 입출구간 차압과 차온 및 유로에서의 유동 균일도를 계산하여 히터의 성능을 평가하였다. 도출된 대칭형 서펜타인 유로 설계안은 기존 평행 서펜타인 비해 차압은 높지만, 열교환 성능은 비등하며 저온부가 비교적 넓게 존재하여 제어 회로의 설치 공간으로 활용할 수 있다는 장점이 있다.

탠덤 타입 기폭장치에 적용하는 다중 채널 고전압 발생 제어부 구현

안지연,조세영,정명숙,손중탁,김기륙 대한전자공학회 2021 전자공학회논문지 Vol.58 No.5

The tandem type of ESAD is for detonating a tandem type of warhead consisting of a precursor warhead and a main warhead, ensuring safety during transport, storage, and handling of the flight vehicles. The tandem type of ESAD is armed by detecting the flight environment and is detonated in case of meeting the detonation conditions after being armed. In this case, it plays a role of detonating the precursor warhead first by outputting a detonation signal and detonating the main warhead after a certain time delay. This paper describes the design of a multi-channel high voltage generating and control circuit which is applied to a tandem type of ESAD. The tandem type of ESAD has three detonation outputs for detonating the precursor warhead and the main warhead. In particular, the detonation output for the detonation of the main warhead is designed in two channels because the concept of redundancy is needed for the stable performance and reliability of the main warhead detonation. Driving three channels of the detonating circuit for the tandem type of ESAD is implemented by designing the high voltage generating and control circuit. The proposed circuit functions to transmit a pulse and DC voltage to the inputs of the high voltage DC/DC converter. This circuit drives three DC/DC converters simultaneously, so that each detonating energy can be stably charged. 탠덤 타입 기폭장치는 선구탄두와 주탄두로 구성된 탠덤 타입의 탄두를 기폭시키기 위한 두 개의 전자식 안전장전장치로서 비행체의 수송, 저장, 취급 시 안전을 보장하고, 비행 환경을 감지하여 장전된 상태에서 기폭조건을 충족하는 경우 기폭신호를 출력하여 선구탄두를 먼저 기폭하고, 일정 시간 지연 후 주탄두를 기폭시키는 역할을 한다. 본 논문에서는 탠덤 타입 기폭장치에 적용하는 주요 회로인 다중 채널 고전압 발생 제어부 설계에 대해 기술한다. 탠덤 타입 기폭장치는 선구탄두 및 주탄두 기폭을 위한 기폭신호를 출력하며, 특히 주탄두 기폭을 위한 기폭출력은 주탄두 기폭 기능의 안정적 수행 및 신뢰도 향상을 위해 redundancy 개념을 적용한 2개 채널로 설계한다. 제안하는 고전압 발생 제어부 설계는 3개 채널의 펄스 제어 타입 고전압 DC/DC 컨버터를 안정적으로 구동하기 위하여 Opto-coupler 및 Regulator를 적용하여 펄스 전달 및 승압용 입력 전원 전달을 가능하도록 한다. 구현한 회로를 적용한 기폭장치를 제작하여 수행한 기능시험 및 온도시험 결과, 기폭에 필요한 1,200V 이상 (상온 기준)의 고전압이 3개 채널 모두 정상적으로 충전되는 것을 확인하였다.

Improving cycling performance of EDLC at high Cut-Off voltages

임라나,김정욱,김점수 한국공업화학회 2015 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2015 No.0

전기이중층 커패시터(Electric Double Layer Capacitor, EDLC)는 슈퍼커패시터의 한 종류로서 물리적 흡탈착을 통해 충방전이 이루어지기 때문에 기존 이차전지에 비해 빠른 충전과 높은 출력 특성이 장점이다. 하지만 에너지 밀도가 낮아 사용 시간이 짧은 단점이 있어 이를 극복하기 위한 연구들이 이루어지고 있다. EDLC 의 에너지 밀도를 높이는 방법으로는 전극 소재 개발과 작동전압 증가가 있다. 그중에서 작동전압의 증가는 새로운 전극 소재 개발 없이 에너지를 증가 시킬 수 있지만, 고전압에서 전해질의 전기화학적 안정성이 필요하기 때문에 이 안정성을 높이기 위한 연구가 필수적이다. 본 연구에서는 고전압 환경에서 안정한 전해질에 대한연구를 목적으로, 대표 전해질을 선정하여 첨가제가 고전압에서 EDLC의 성능에 어떠한 영향을 주는지 알아보려고 한다. 대표 전해질인 SBP-BF4 in acetonitrile 에 첨가된 첨가제 종류에 따른 전기화학적 특성을 평가하였고, 활성탄 전극 표면분석 및 다양한 분석을 통해 고전압에서의 첨가제 효과를 연구하였다.

증가하는 고전압 선박에 대한 실습생의 교육에 관한 연구

임명환,신호식,Im, Myeong Hwan,Sin, Ho-Sig 대한기계학회 2015 대한기계학회 논문집. Transactions of the KSME. C, 산업기술과 혁신 Vol.3 No.1

우리나라 조선을 대표하는 일부회사들은 해양으로부터 기름과 가스를 개발하는 해양플랜트를 건조하느라 활발히 움직이고 있다. 날로 증가하는 기름 및 가스 해양플랜트와 더불어 상선은 대형화, 고출력화로 변화하고 있다. 따라서 해양계대학 실습생들은 440V의 저전압 선박에서 6,600V의 고전압 선박으로 승선실습을 하게 되는 실습해기사들이 증가하고 있다. 그러나 이들은 학교 교과과정에서 저전압 과정의 교육을 받아 고전압 선박에서 승선실습 과정을 이수하는데 많은 어려움과 위험 속에서 승선실습을 하게 된다. 이에 따라 본 연구에서는 고전압선박에서 경험한 실습 해기사들의 어려움과 문제점을 설문을 통해 파악하고 분석하여 앞으로의 교육 방안을 제안하고자 한다. Some major companies representing Korea's ship building actively take part in building Oil & Gas offshore which produces both oil and gas from the ocean. Merchant ships become enlarge and high-powered electric as well as increasing number of Oil & Gas offshore. Thus, maritime university cadets are pushed to participate in onboard training on 440V to 6,660V high voltage ships. Although they have difficulty and danger from onboard training course on high voltage ships, their curriculum is still focusing on the training on low voltage ships. Therefore, this study is to suggest the upcoming education measures based on the questionnaire survey and analysis from the Maritime cadets who had experienced in high voltage ships.

초음파와 고전압 병행 처리에 의한 슬러지 용존화 상승효과

변영철(Byun, Youngchul),김재훈(Kim, Jaehun),신동남(Shin, Dong Nam),고동준(Koh, Dong Jun) 한국신재생에너지학회 2011 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2011 No.05

0.5 ton/day 용량의 장비를 이용하여 초음파와 고전압 단독 처리에 의한 슬러지 용존화율을 조사하였다. 또한 초음파와 고전압을 병행한 방법에 의한 슬러지 용존화율을 조사하였다. 그 결과 초음파와 고전압을 개별적으로 적용하였을시 나타나는 슬러지 용존화율 보다 이 둘을 병행하여 함께 처리했을 시에 나타나는 슬러지 용존화율에 기대 이상의 상승효과가 있는 것을 알 수 있었다.

선박용 고전압장치에 대한 IMO 모델코스 및 교육 현황 분석

허재정,전현민,손의남,김종수,김성환 해양환경안전학회 2016 해양환경안전학회 학술발표대회 논문집 Vol.2016 No.04

고전압차단기 유압식 조작기 Pilot Valve 유밀부 누설 원인 분석 및 예비변형에 따른 내부 누유방지 방안 연구

안형환,반치범 대한기계학회 2023 大韓機械學會論文集A Vol.47 No.3

While the high voltage circuit breaker hydraulic actuator valves open and close for a very short period of time (~ms), the pilot valve sealing failure which open close at first, and the behavior of the oil-sealing according to repeated loads wer analyzed. As a very high impact load is applied when opening and closing the oil-sealing part, cracks in the oil-sealing part or uneven deformation between the parts forming the oil-sealing part may occur, and unnecessary maintenance costs may occur due to the failure of the oil-sealing part. To prevent this, the convergence value of the oil-sealing deformation according to the repeated impact load of the oil-sealing portion was checked, and a method was developed and demonstrated to prevent internal leakage by applying a preload to the oil-sealing portion. 매우 짧은 시간(~ms) 동안 개폐되는 고전압차단기 유압식 조작기 valve 중 가장 먼저 개폐되는 pilot valve 유밀부의 유밀 실패사례를 분석하고 반복하중에 따른 유밀부의 거동을 분석하였다. 유밀부 개폐 시 매우 높은 충격하중이 가해짐에 따라 유밀부의 깨짐 혹은 유밀부를 형성하는 부품 간의 불균일한 변형이 발생할 수 있으며 이로 인한 유밀 실패로 불필요한 유지보수 비용이 발생할 수 있다. 이를 방지하기 위해 유밀부의 반복 충격하중에 따른 유밀부 변형의 수렴 값을 확인하고, 이를 이용하여 유밀부에 예비하중을 가하여 내부 누유를 방지할 수 있는 방법을 개발 및 입증하였다.

전기자동차 고전압 배터리 고장 사례 및 고장 재현 연구

신재혁(Jaehyuck Shin),주경석(Gyeongseok Joo),정영길(Youngkil Jung),한범석(Beomsuck Han),성시영(Siyoung Sung) 한국자동차공학회 2023 한국자동차공학회 부문종합 학술대회 Vol.2023 No.5

HILS를 활용한 주행에 따른 1000V급 전기차용 고전압 릴레이의 성능 변화 분석

최태일(Taeil Choi),최재영(Jaeyoung Choi),송현식(Hyunsik Song) 한국자동차공학회 2023 한국자동차공학회 학술대회 및 전시회 Vol.2023 No.11