[논문]인휠 모터 구동용 인버터의 냉각구조에 대한 해석적 평가

김성철

doi:10.7467/ksae.2014.22.2.001

인휠 모터 구동용 인버터의 냉각구조에 대한 해석적 평가
Analytical Assessment on the Cooling Structure of In-wheel Driving Inverter 원문보기

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, v.22 no.2, 2014년, pp.1 - 6

김성철 (자동차부품연구원 그린카파워시스템연구본부)

Abstract ▼ AI-Helper

In-wheel driving inverter inside engine room sometimes operates in the harsh environment like high temperature of about $105^{\circ}C$. Especially, the size and power density of the inverter has become smaller and more increased. Thus, it is essential to manage the temperature of the inverter with IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) switching devices for performance and endurance, because the temperature can be getting increase. In this paper, we performed the thermal flow analysis of inverter models with wave type and pin fin type cooling channels, and investigated the heat transfer characteristics of the inverter models using cooling water on channels at 8 L/min and $65^{\circ}C$. Also, we compared the thermal performance under various conditions such as coolant flow rate and layered power module structure. Therefore, we determined the feasibility of the initial inverter models and the thermal performance enhancement.

주제어

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문제 정의

본 연구에서는 인휠 모터 구동용 인버터의 수냉식 냉각구조에 따른 열유동 해석을 수행하여 인버터의 열전달 특성을 비교 파악하였다. 따라서 설계된 인버터 냉각구조의 적용가능성을 살펴보았고, 방열성능을 향상시키기 위한 개선방향을 설정하였다.
본 연구에서는 인휠 모터 구동용 인버터의 수냉식 냉각구조에 따른 열유동 해석을 수행하여 인버터의 열전달 특성을 비교 파악하였다. 따라서 설계된 인버터 냉각구조의 적용가능성을 살펴보았고, 방열성능을 향상시키기 위한 개선방향을 설정하였다.

제안 방법

8 L/min으로 흐르는 65°C의 냉각수(물 50%, 에틸렌글리콜 50%)를 적용하였고, 외 기온도는 적용 차량의 엔진룸 최대 온도인 105°C로 설정하였다.
1(b)에 도식화하여 나타내었다. 내부 열전달 특성을 파악하기 위해서는 두 가지의 CFD 프로그램을 사용하였으며, SC/Tetra¹⁰⁾로 반도체(전력모듈)의 균일 열원을 적용한 인버터 해석을 수행하여 복잡한 곡면 형상인 냉각유로에서의 열전달계수와 압력강하를 파악하였고, 적층 구조인 전력모듈의 상세 모델링이 가능한 Flotherm^11-13)을 통해 인버터의 전체 열저항과 주요 부품들의 온도 분포를 보다 정확하게 구하고자 하였다. 이를 바탕으로 생성된 격자는 Fig.
물결 타입과 핀휜 타입의 냉각구조에 따른 인버터의 방열성능을 파악하기 위해 열유동 해석을 통한 인버터의 구성 부품별 온도를 계산하였으며, Table 2에는 주요 발열부 및 냉각수 출구 온도를 나타내었다. 연속출력과 최대출력 조건에서 발열이 크게 발생하는 IGBT의 chip 부분에서 가장 높은 온도를 나타내었으며, 특히 물결 타입 및 핀휜 타입의 최대출력 조건에서 IGBT의 chip 부분이 140.
물결 타입과 핀휜 타입의 냉각구조에서 냉각수 유량이 8 L/min에서 12 L/min으로 증가시킨 경우와 서멀그리스의 적용 유무에 따른 제거된 모델의 방열효과를 살펴보았다. Table 4에서 알 수 있는 바와 같이, 각각의 주어진 조건에서 유량증대를 통한 온도 변화는 약 3°C 내외로 냉각개선 효과가 미비하였다.
본 연구에서는 인휠 구동용 수냉식 인버터 모델에 대한 해석을 진행하여 열전달 및 유동 특성을 파악하였고, 냉각구조에 따른 방열 성능의 영향을 비교 분석하였다. 이를 통해서 다음과 같은 결론을 얻었다.
8 L/min으로 흐르는 65°C의 냉각수(물 50%, 에틸렌글리콜 50%)를 적용하였고, 외 기온도는 적용 차량의 엔진룸 최대 온도인 105°C로 설정하였다. 인버터의 구성 부품들에 대한 재질물성 및 발열량이 각각의 입력 값으로 사용되었으며, 발열량의 경우 Infineon 사에서 제공하는 소자의 발열 산정 프로그램인 IPOSIM(Infineon Power Simulation Program)¹⁴⁾에 의해 연속출력 및 최대출력 조건에서의 구동용 인버터에 인가되는 전류, 전압, 주파수 등을 사용하여 계산된 값이 IGBT와 다이오드에 각각 적용되었다. (220 Arms, 240 V, 8 kHz @최대출력) 이와 같이, 인버터의 열유동 해석에 적용된 경계 조건을 Table 1에 자세히 나타내었다.
인휠 모터 구동용 인버터의 열전달 특성을 알아보기 위해 대상 차량에서의 인버터가 노출될 수 있는 가장 가혹한 환경 및 냉각시스템 운전 조건에서 해석을 진행하였다. 8 L/min으로 흐르는 65°C의 냉각수(물 50%, 에틸렌글리콜 50%)를 적용하였고, 외 기온도는 적용 차량의 엔진룸 최대 온도인 105°C로 설정하였다.

대상 데이터

내부 열전달 특성을 파악하기 위해서는 두 가지의 CFD 프로그램을 사용하였으며, SC/Tetra¹⁰⁾로 반도체(전력모듈)의 균일 열원을 적용한 인버터 해석을 수행하여 복잡한 곡면 형상인 냉각유로에서의 열전달계수와 압력강하를 파악하였고, 적층 구조인 전력모듈의 상세 모델링이 가능한 Flotherm^11-13)을 통해 인버터의 전체 열저항과 주요 부품들의 온도 분포를 보다 정확하게 구하고자 하였다. 이를 바탕으로 생성된 격자는 Fig. 2에 나타내었으며, 물결타입과 핀휜 타입 모두의 경우 약 900만 개의 비 정렬 격자와 약 350만 개의 정렬 격자가 각각 사용 되었다.

성능/효과

Fig. 3(a), (b)의 냉각유로 내부에서의 유동 분포에서 알 수 있는 바와 같이, 물결 타입의 2번 채널에서 다소 유량이 많았으나 대체적으로는 유로별 균일한 유량분배가 이루어지고 있고, 핀휜 타입인 경우가 유로 단면적이 넓어 유속이 상대적으로 훨씬 느린 것을 볼 수 있다. 또한 Fig.
또한 차량이라는 한정된 공간 내에서의 요구되는 연비를 위해 소형화와 경량화를 필요로 하고, 이로 인하여 인버터는 높은 출력밀도가 요구되어지고 있다.¹⁾ 인버터는 IGBT 및 다이오드 등으로 구성되어 있는 전력모듈에서 스위칭 손실과 도통손실이 발생하며 이러한 손실 대부분이 열로 변환된다. 이러한 구성부품의 발열을 효과적으로 냉각시키지 못하는 경우, 인버터의 효율을 떨어뜨리거나 작동을 멈추는 등 제품의 성능 및 내구성에 영향을 미칠 수 있으므로 효과적인 냉각설계가 필수적이다.
1) 인휠 구동용 인버터 초기 모델의 연속출력 및 최대출력 조건에서 열유동 해석을 진행하여, 물결 타입 및 핀휜 타입의 최대출력 조건에서 IGBT의 chip 부분 온도가 약 140.4°C, 153.9°C로 허용한 계인 120°C 보다 높은 것으로 파악되었다.
2) 냉각유로 내부의 유동은 대체적으로 균일한 유동분배가 이루어졌으며, 온도 분포는 물결 타입 및 핀휜 타입의 경우, 연속출력에서 약 2.4°C, 1.3°C, 최대출력에서는 약 4°C, 2.8°C의 온도 편차를 나타내어 설계 시 허용할 수 있는 수준임을 알 수 있었다.
3) 주어진 조건에서 유량 증가에 따른 냉각개선 효과는 미비한 것으로 나타났고, 최대 냉각수 유량 및 서멀그리스가 제거된 조건에서의 물결 타입 및 핀휜 타입 모델은 최고온도가 126.3°C, 138.5°C로 허용 한계보다 높은 이유로, 유로 및 냉각휜 등 냉각구조의 설계 개선을 통한 방열성능 향상이 필요하였다.
연속출력과 최대출력 조건에서 발열이 크게 발생하는 IGBT의 chip 부분에서 가장 높은 온도를 나타내었으며, 특히 물결 타입 및 핀휜 타입의 최대출력 조건에서 IGBT의 chip 부분이 140.4°C 및 153.9°C로 전력소자의 작동한계 온도인 120°C 보다 높게 나타났기 때문에 방열성능이 둘 다 부족함을 알 수 있다.
이 결과를 통하여 초기 모델인 물결 타입 및 핀휜 타입 중 방열성능이 다소 유리한 물결 타입의 경우라도, 냉각시스템 유량이 12 L/min으로 최대이고 열저항이 최소에 해당되는 서멀그리스 미적용 조건에서 모델의 발열부 IGBT 온도결과가 126.3°C 로 허용온도보다 높은 이유로, 유로 및 냉각휜 등 냉각구조의 설계 개선을 통한 방열성능 향상이 필요하다고 판단된다.

후속연구

이는 인버터의 반도체 접촉부에서의 열전도성을 높이기 위해 사용되는 서멀그리스의 열저항이 열전달 성능에 적지 않은 중요한 역할을 하며, 또한 서멀그리스 모델링의 불확실성이 실제의 방열 특성 차이를 크게 발생할 수 있음을 의미한다. 따라서 향후 해석 결과의 신뢰성을 보다 높이기 위해서는 실험 결과와의 비교검증을 통한 적층구조의 정확한 모델링이 필요 하다. 이 결과를 통하여 초기 모델인 물결 타입 및 핀휜 타입 중 방열성능이 다소 유리한 물결 타입의 경우라도, 냉각시스템 유량이 12 L/min으로 최대이고 열저항이 최소에 해당되는 서멀그리스 미적용 조건에서 모델의 발열부 IGBT 온도결과가 126.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	인휠 모터 구동용 인버터는 무엇으로 구성되어 있는가?	인휠 모터 구동용 인버터는 전력모듈, 하우징, 커패시터, 제어보드 및 차폐판 등으로 구성되어 있으며 하우징 내부에 설치된 수냉식 유로를 통해 냉각된다. 인버터의 방열 및 냉각유로 설계를 위해 사용된 해석 모델은 Fig.
	본 연구에서 인휠 구동용 수냉식 인버터 모델의 열전달 및 유동 특성을 파악하고 냉각 구조에 따른 방열 성능 영향을 비교분석한 결과는 무엇인가?	1) 인휠 구동용 인버터 초기 모델의 연속출력 및 최대출력 조건에서 열유동 해석을 진행하여, 물결 타입 및 핀휜 타입의 최대출력 조건에서 IGBT의 chip 부분 온도가 약 140.4°C, 153.9°C로 허용한 계인 120°C 보다 높은 것으로 파악되었다. 2) 냉각유로 내부의 유동은 대체적으로 균일한 유동분배가 이루어졌으며, 온도 분포는 물결 타입 및 핀휜 타입의 경우, 연속출력에서 약 2.4°C, 1.3°C, 최대출력에서는 약 4°C, 2.8°C의 온도 편차를 나타내어 설계 시 허용할 수 있는 수준임을 알 수 있었다. 3) 주어진 조건에서 유량 증가에 따른 냉각개선 효과는 미비한 것으로 나타났고, 최대 냉각수 유량 및 서멀그리스가 제거된 조건에서의 물결 타입 및 핀휜 타입 모델은 최고온도가 126.3°C, 138.5°C로 허용 한계보다 높은 이유로, 유로 및 냉각휜 등 냉각구조의 설계 개선을 통한 방열성능 향상이 필요하였다.
	인버터에 효과적인 냉각설계가 필수적인 이유는 무엇인가?	1) 인버터는 IGBT 및 다이오드 등으로 구성되어 있는 전력모듈에서 스위칭 손실과 도통손실이 발생하며 이러한 손실 대부분이 열로 변환된다. 이러한 구성부품의 발열을 효과적으로 냉각시키지 못하는 경우, 인버터의 효율을 떨어뜨리거나 작동을 멈추는 등 제품의 성능 및 내구성에 영향을 미칠 수 있으므로 효과적인 냉각설계가 필수적이다.

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원문보기 상세보기
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상세보기
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IPOSIM (Infineon Power Simulation Program), http://www.infineon.com, 2013.

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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