전기자동차용 추진 시스템의 고효율/소형화를 위한 SiC 전력반도체 적용에 따른 손실 분석 및 방열 시스템 검증 = Power Loss Analysis and Cooling System Verification by Applying SiC Power Semiconductor for High-efficiency and Down Sizing of Drive System for Electric Vehicle

국문 초록 (Abstract)

본 논문은 전기자동차용 인버터 시스템의 전력변환 장치에 영향을 미치는 전력용 반도체의 소자 별 전력 손실과 발열 온도를 PSIM社의 Thermal Module 기능을 이용하여 분석하고, 이를 통하여 방열판의 접촉 면적과 부피의 소형화 및 경량화가 가능함을 열 등가회로가 적용된 모의실험을 통하여 검증하였다.
차세대 WBG 소자인 SiC(실리콘 카바이드) 전력반도체 소자는 Si(실리콘) 대비 높은 밴드 갭, 큰 전계 강도, 높은 열전도율 등의 물질 특성을 가지고 있으며, 이러한 새로운 소자에 대한 연구 및 개발은 지속적으로 이루어지고 있다.
이에 따라 본 논문에서는 현재 전기자동차에 일반적으로 사용되고 있는 Si-IGBT 전력반도체 스위칭 소자와 WBG 소자가 적용된 SiC-MOSFET 전력반도체 스위칭 소자를 모의실험을 통해 비교하여 각각의 손실과 접합온도를 도출하여 이를 비교할 수 있었다.
PSIM社의 Thermal Module 기능과 기존 설계된 유도전동기 및 동일한 성능의 Si-IGBT 스위치 모듈과 SiC-MOSFET 스위치 모듈을 이용한 모의실험 수행 결과, SiC-MOSFET 전력용 반도체 스위치 모듈을 이용한 인버터의 손실은 Si-IGBT 전력용 반도체 스위치 모듈을 이용한 인버터의 손실보다 약 942.84[W] 줄어든 것을 확인할 수 있었다. 또한, 열 등가회로를 이용한 트랜지스터의 접합온도를 분석한 결과, 유사한 방열 성능 및 접합온도를 가질 때 방열판의 열 저항이 SiC-MOSFET의 경우 Si-IGBT 대비 약 8.3배 임을 알 수 있었으며, 이를 통해 동일 방열판의 형태와 두께 적용 시 방열판의 넓이는 12.05% 수준으로 축소가 가능함을 검증하였다.
이는 제한된 범위 내에서 에너지를 사용하는 전기자동차의 인버터 방열 설계에 적용 시 Si 기반의 전력용 반도체 사용 대비 SiC 전력용 반도체를 사용할 때, 12% 정도의 접촉 면적의 소형화 및 경량화가 가능하며, 상대적으로 고효율 구동에 따른 주행거리 상승 및 낮은 에너지 소비가 가능할 것으로 판단된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this paper, the power loss and heat temperature of each element of the power semiconductor that affects the power conversion device of inverter system for an electric vehicle is analyzed using PSIM's Thermal Module function and according to the result, the miniaturization and weight reduction of the contact area and volume of the heat sink was verified through a simulation using a thermal equivalent circuit.
SiC(Silicon carbide) power semiconductor device, which are next generation WBG, have material properties such as high band gap, large electric field strength, and high thermal conductivity compared to Si(silicon), and research and development for these new devices are continuously being made.
Accordingly, in this paper, Si-IGBT power semiconductor switching device, which is currently used in electric vehicle, and SiC-MOSFET power semiconductor switching device, to which WBG is applied, are compared through simulation and the respective losses and junction temperatures are compared and verified.
As a result of conducting simulations using PSIM's thermal module function, the previously designed induction motor, and the Si-IGBT switch module and SiC-MOSFET switch module with the same performance, it was confirmed that the power loss of inverter using the SiC-MOSFET power semiconductor switch module was reduced by about 942.84[W] than that of the inverter using the Si-IGBT power semiconductor switch module.
In addition, as a result of analyzing the junction temperature of the transistor using the thermal equivalent circuit, it was found that the thermal resistance of the heat sink in case of SiC-MOSFET is about 8.3 times that of Si-IGBT when it has similar heat dissipation performance and junction temperature, and through this, it was verified that the width of the heat sink can be reduced to the level of 12.05% when the same shape and thickness of the heat sink are applied.
According to these results, when applied to the inverter heat dissipation design of an electric vehicle that uses energy within a limited range, when using a SiC power semiconductor compared to using a Si-based power semiconductor, the contact area can be reduced by 12% and driving distance is expected to increase and energy consumption to be low due to the light weight and high efficiency.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장. 서 론 1
• 1.1 연구의 배경 1
• 1.2 논문의 목적 및 구성 5
• 제 2 장. 전력용 반도체 별 특성 분석과 스위치 모듈 별 손실 분석 기법 적용 7
• 2.1 전력용 다이오드 7
• 2.1.1 전력용 다이오드의 기본 특성 8
• 2.1.2 전력용 다이오드의 역회복 특성 9
• 2.1.3 쇼트키 다이오드 11
• 2.2 MOSFET 12
• 2.2.1 MOSFET의 기본 특성 12
• 2.2.2 MOSFET의 동작 특성 14
• 2.3 IGBT 16
• 2.3.1 IGBT의 기본 특성 16
• 2.3.2 IGBT의 동작 특성 18
• 2.4 전력용 스위치 모듈 별 손실 분석 19
• 2.4.1 다이오드의 도통손실 분석 19
• 2.4.2 다이오드의 역회복 손실 분석 21
• 2.4.3 트랜지스터의 도통손실 22
• 2.4.4 트랜지스터의 스위칭 손실 23
• 제 3 장. SiC 전력용 반도체의 물성 비교와 전기자동차의 고효율/소형화 가능성 26
• 3.1 SiC(실리콘 카바이드) 전력용 반도체의 물질 특성 26
• 3.2 소재 특성과 시스템의 고효율/소형화 가능성 29
• 제 4 장. 방열 시스템 설계를 위한 열 등가회로 적용 기법 30
• 4.1 열 등가회로의 해석 30
• 4.2 시변 온도의 해석 34
• 4.3 방열판의 열 저항 선정 38
• 제 5 장. SiC 전력용 반도체를 적용한 방열 시스템의 설계 적용 검증 40
• 5.1 전력반도체 스위치 및 유도전동기의 선정 40
• 5.2 모의실험을 위한 전력회로도의 구성 41
• 5.3 모의실험 결과 및 검토 45
• 제 6 장. 결 론 51
• 참고문헌 52
• ABSTRACT 55