[논문]엘리베이터 시스템을 위한 SiC 권상기 드라이브

권진수; 문석환; 김주찬; 이준민

doi:10.6113/tkpe.2019.24.3.147

엘리베이터 시스템을 위한 SiC 권상기 드라이브
SiC Motor Drive for Elevator System 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.24 no.3, 2019년, pp.147 - 152

권진수 (Advanced Controls Research Team, Hyundai Elevator) , 문석환 (Advanced Controls Research Team, Hyundai Elevator) , 김주찬 (Advanced Controls Research Team, Hyundai Elevator) , 이준민 (Advanced Controls Research Team, Hyundai Elevator)

Abstract ▼ AI-Helper

With the recent emphasis on the importance of energy conservation, studies on high-efficiency elevator systems are being continuously conducted. Therefore, pulse width modulation converters are commonly used in traction drives on elevator systems. Wide bandgap devices have been increasingly commercialized, and their application to power conversion systems, such as renewable and energy storage system, has been gradually increasing. In this study, a SiC inverter for an elevator traction drive is investigated. In particular, an inverter is designed to minimize stray and parasitic inductance. Input and output filters are designed by considering switching frequency. The designed SiC inverter reduces volume by approximately 32% compared with that of a Si inverter, and power converter efficiency is over 98.8%.

주제어

표/그림 (13)

그림 Fig. 1. The structure of DC-link busbar.
표 TABLE I INPUT AND OUTPUT FILTER DESIGN SPECIFICATIONS PHYSICAL CHARACTERISTICS OF SI AND THE MAJOR WBG SEMICONDUCTORS
그림 Fig. 2. The double pulse test circuit.
그림 Fig. 3. The structure of 11kW SiC inverter drive.
그림 Fig. 4. The volume difference between the proposed Si and SiC inverter system.
표 TABLE II INPUT AND OUTPUT FILTER DESIGN SPECIFICATIONS
그림 Fig. 5. The block diagram of 11kW SiC inverter elevator drive system.
그림 Fig. 6. The elevator tower test experiment system.
그림 Fig. 7. The experiment result of double pulse test.
그림 Fig. 8. The simulation results of IGBT, hybrid SiC, full SiC.
그림 Fig. 9. The experiment result of elevator test tower in SiC inverter.
그림 Fig. 10. The comparison of experiment results of Si and SiC inverter of elevator tower system.
표 TABLE III ELEVATOR SYSTEM SPECIFICATIONS

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문은 8인승 90m/m(11 为皿급) 엘리베이터 시스템을 위한 SiC 권상기 드라이브 시스템을 제안한다. SiC 전력 반도체를 사용하는 엘리베이터 권상기 드라이브 시스템은 Si 시스템 대비 고효율, 고성능의 특성을 보이나
요소들이 존재한다. 이 논문은 상기의 요소들을 분석하기 위하여 소자의 물성과 특성에 대해 설명하고 그에 따른 인버터 드라이브 시스템을 설계하는 방법을 제시하며, 시뮬레이션과 시험을 통해 제어시스템을 비교 분석하고 성능 평가를 수행한다. 제안하는 방법은 시장과 기술개발에 따라 점점 고효율, 고성능화가 요구되는 향후 미래 기술개발을 위한 기본 설계 자료로써 중요한 지표를 제공할 수 있으리라 사료된다.

제안 방법

PLECS 시뮬레이션 결과를 보인다. 각 전력반도체는 IGBT(7MBP50VDA120-50), Hybrid- SiC(FUJI:7MSR50 VM120-50)와 FULL SiC(Wolfspeed: CCS050M12CM2) 이며, 30kHz 스위칭 주파수에서 각 부분별 전력 손실 (스위칭 손실, 다이오드 손실, 전도 손실, 다이오드 전도손실)을 분석하였다. 시뮬레이션에 사용한 전력반도체 모델은 제조사에서 제공하는 모델을 사용하였으며, 제공하지 않는 모델은 데이터시트를 기반으로 모델을 제작하여 적용하였다.
적용하였다. 권상기 구동드라이브는 3D 설계 툴을 이용하여 SiC 전력 반도체의 특성을 최적화하도록 설계하였으며, 게이트 드라이브 회로, 입/출력 필터 역시 SiC 전력반도체의 빠른 스위칭 특성과 노이즈를 고려하여 제작하였다.
Si-IGBT와 SiC -MOSFET 인버터 시스템의 전력 효율 비교를 위한 전류 측정은 고전류-고대역폭의 400MHz, 300A pulse 스펙을 가지는 T&M Research Products社 CVR(Current Viewing Resistor) 제품(SSDN-005)을 사용하였으며, CVR 양단 전압을 오실로스코프에 전달하는 케이블은 파워 용량 및 전자기적 특성이 좋은 RG400 BNC cable을 사용하였다. 또한, 수십 MHz 대역의 고전압을 이상적으로 측정하기 위해 대역폭 400MHz, 최대 6kV인 Lecroy사의 PPE6KV 고전압 수동(passive) 프루브를 선정하였다.
따라서, 슈퍼 코어 또는 아몰포스 코어와 같이 투자율이 높고 손실이 적은 코어를 선택해야 한다. 본 논문에서는 컨버터, 인버터 스위칭 주파수를 30kHz로 설정하였으며, 필터 리액터의 코어는 소음에 우수한 슈퍼코어를 선정하였다.
드라이브 시스템의 구조이다. 본 시스템은 Full-SiC 모듈을 사용하여 제어를 수행하며, 10kHz의 스위칭 주파수로 제어를 수행하는 기존 Si 인버터 대비 높은 스위칭 주파수인 30kHz로 스위칭을 수행한다. 이에 따라 Frame Case, Heatsink 등 전체적인 시스템의 설계 사양이 바뀜으로써 그림 4 와 같이 제안하는 Si와 SiC 인버터 시스템의 부피 차이와 같이 약 28%의 전체적인 시스템의 크기가 감소하였으며 그럼에도 불구하고 동급이상의 성능을 보였다 최적화를 통하면 50% 이상의 시스템의 부피가 감소할 것으로 예상된다[18].
각 전력반도체는 IGBT(7MBP50VDA120-50), Hybrid- SiC(FUJI:7MSR50 VM120-50)와 FULL SiC(Wolfspeed: CCS050M12CM2) 이며, 30kHz 스위칭 주파수에서 각 부분별 전력 손실 (스위칭 손실, 다이오드 손실, 전도 손실, 다이오드 전도손실)을 분석하였다. 시뮬레이션에 사용한 전력반도체 모델은 제조사에서 제공하는 모델을 사용하였으며, 제공하지 않는 모델은 데이터시트를 기반으로 모델을 제작하여 적용하였다. 전력반도체의 정선온도를 150℃로 설정하여 최악의 조건으로 시뮬레이션하였다.
시뮬레이션에 사용한 전력반도체 모델은 제조사에서 제공하는 모델을 사용하였으며, 제공하지 않는 모델은 데이터시트를 기반으로 모델을 제작하여 적용하였다. 전력반도체의 정선온도를 150℃로 설정하여 최악의 조건으로 시뮬레이션하였다.

대상 데이터

DC 전압은 550V이며, 부하는 230uH의 공심(air-core) 인덕터를 사용하였다. Si-IGBT와 SiC -MOSFET 인버터 시스템의 전력 효율 비교를 위한 전류 측정은 고전류-고대역폭의 400MHz, 300A pulse 스펙을 가지는 T&M Research Products社 CVR(Current Viewing Resistor) 제품(SSDN-005)을 사용하였으며, CVR 양단 전압을 오실로스코프에 전달하는 케이블은 파워 용량 및 전자기적 특성이 좋은 RG400 BNC cable을 사용하였다. 또한, 수십 MHz 대역의 고전압을 이상적으로 측정하기 위해 대역폭 400MHz, 최대 6kV인 Lecroy사의 PPE6KV 고전압 수동(passive) 프루브를 선정하였다.
본 논문의 회생형 PWM 컨버터와 인버터는 모두 SiC-MOFET를 적용하였다. 권상기 구동드라이브는 3D 설계 툴을 이용하여 SiC 전력 반도체의 특성을 최적화하도록 설계하였으며, 게이트 드라이브 회로, 입/출력 필터 역시 SiC 전력반도체의 빠른 스위칭 특성과 노이즈를 고려하여 제작하였다.

데이터처리

특성을 비교 분석한다. 모의 실험 모델은 PLECS를 이용하여 구현되며, 8인승 90m/m (11kW급) SiC Inverter 엘리베이터 타워 실험 테스트를 통해 성능을 검증한다.
제안하는 시스템의 성능 평가를 위해 Si-IGBT와 SiC-MOFET의 특성을 비교 분석한다. 모의 실험 모델은 PLECS를 이용하여 구현되며, 8인승 90m/m (11kW급) SiC Inverter 엘리베이터 타워 실험 테스트를 통해 성능을 검증한다.

이론/모형

시스템에서 사용하는 소자의 특성을 파악하기 위해 2 절에서 설명하는 Double Pulse Test를 그림 7과 같이 수행하였다. DC 전압은 550V이며, 부하는 230uH의 공심(air-core) 인덕터를 사용하였다.

성능/효과

의미한다. 또한 포화전자속도는 전자의 이동속도를 의미하며, 열전도율은 반도체의 열 전달 능력을 의미하므로 SiC와 같은 와이드밴드갭 소자를 사용하면 기존 Si소자 대비 고전압, 고출려 고온동작이 가능하며, 이는 같은 전압 수준의 전력소자 제작 시, 더 얇게 제작이 가능하여 도통 시 도통 손실을 줄일 수 있다는 것을 의미한다.
본 시스템은 Full-SiC 모듈을 사용하여 제어를 수행하며, 10kHz의 스위칭 주파수로 제어를 수행하는 기존 Si 인버터 대비 높은 스위칭 주파수인 30kHz로 스위칭을 수행한다. 이에 따라 Frame Case, Heatsink 등 전체적인 시스템의 설계 사양이 바뀜으로써 그림 4 와 같이 제안하는 Si와 SiC 인버터 시스템의 부피 차이와 같이 약 28%의 전체적인 시스템의 크기가 감소하였으며 그럼에도 불구하고 동급이상의 성능을 보였다 최적화를 통하면 50% 이상의 시스템의 부피가 감소할 것으로 예상된다[18].

후속연구

이 논문은 상기의 요소들을 분석하기 위하여 소자의 물성과 특성에 대해 설명하고 그에 따른 인버터 드라이브 시스템을 설계하는 방법을 제시하며, 시뮬레이션과 시험을 통해 제어시스템을 비교 분석하고 성능 평가를 수행한다. 제안하는 방법은 시장과 기술개발에 따라 점점 고효율, 고성능화가 요구되는 향후 미래 기술개발을 위한 기본 설계 자료로써 중요한 지표를 제공할 수 있으리라 사료된다.

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상세보기
T. P. Chow and M. Ghezzo, "SiC power devices," MRS Online Proceedings Library Archive, Sep. 2011.

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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