[논문]인덕션 쿠커용 공진형 하프-브릿지 컨버터의 스위치 손실 분석

김재근; 백기호; 박성민; 오원현

인덕션 쿠커용 공진형 하프-브릿지 컨버터의 스위치 손실 분석
Analysis of Switch losses in Resonant Half-Bridge Converters for Induction Cooker applications 원문보기

김재근 (홍익대학교 전자전기공학과) , 백기호 (홍익대학교 전자전기공학과) , 박성민 (홍익대학교 전자전기공학과) , 오원현 (제이텍 코리아)

본 논문에서는 인덕션 쿠커의 스위칭 전력반도체에서 발생되는 스위치 손실을 비교 분석한다. Si-기반 전력반도체의 효율 상승이 한계점에 도달함에 따라 고속 스위칭 및 저손실 특성을 지닌 SiC, GaN와 같은 와이드밴드갭 소자를 활용한 고전력밀도 컨버터의 연구가 활발히 진행되고 있다. 이에 소비자 가전분야의 인덕션쿠커 공진형 하프-브릿지 전력회로의 기존 Si-IGBT를 GaN-FET과 SiC-FET으로 구성하여 스위치 손실모델을 유도하고 이를 통해 세 가지의 전력반도체가 적용된 인덕션 쿠커의 스위치 손실을 비교분석한다. 분석된 손실모델은 PSIM Thermal Module을 통하여 검증한다.

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문제 정의

본 논문에서는 와이드밴드갭 소자를 활용한 Half Bridge Resonant Converter 구조를 가진 인덕션 쿠커(Induction Cooker)를 제안한다. 제안된 회로에는 Si IGBT, GaN FET, SiC FET를 각각 적용하여 스위치 손실 분석 및 시뮬레이션을 수행하였다.
본 논문에서는 전력효율을 향상을 위한 방안 중 하나로 인덕션쿠커 Half Bridge 전력회로의 Si IGBT를 GaN FET 및 SiC FET소자를 사용한 전력변환 회로를 제시하였다. 회로에서의 손실수식을 통해 계산된 스위치 손실값과 시뮬레이션 결과를 통한 손실의 오차는 약 4%로 거의 일치하는 것을 볼 수 있다.

가설 설정

이 때 1차측인 L_eq에서 2차측의 저항체인 냄비로 에너지가 전달되어 가열되게 된다. 본 시뮬레이션에서는 정류한 전압 및 전류는 직류성분으로 가정하여, 이때의 스위치에서 발생하는 손실을 분석한다. 스위치의 손실에는 크게 도통손실, 스위칭 턴 온 오프 손실로 구성된다.

제안 방법

본 논문에서는 와이드밴드갭 소자를 활용한 Half Bridge Resonant Converter 구조를 가진 인덕션 쿠커(Induction Cooker)를 제안한다. 제안된 회로에는 Si IGBT, GaN FET, SiC FET를 각각 적용하여 스위치 손실 분석 및 시뮬레이션을 수행하였다. 결과를 통하여 인덕션 쿠커 응용분야에서 기존의 Si기반의 스위치 디바이스 비교하여 와이드밴드갭 소자의 우수성을 확인한다.

대상 데이터

분석을 위해 사용된 소자로서는 Si IGBT와 GaN FET, 그리고 SiC FET을 각각 Infinen社의 IHW40N65R5, GaNsystems社의 GS66516T, ROHM社의 SCT3030AL모델로 선정하였다. 선정기준은 Si IGBT와 비슷한 최대 내압(650V) 및 연속 전류(80A)를 기준으로 선정하였다.
시뮬레이션에 앞서 이론적인 계산을 위하여 수식 (1)~(6)에 필요한 파라미터 값들은 표 2와 같다. 시뮬레이션 회로는 그림 2와 같이 구성하였으며 회로의 스위칭소자는 각각 PSIM Thermal Module의 Eon MOSFET(GaN FET, SiC FET) 및 IGBT 모델을 이용하여 시뮬레이션 하였다. 계산된 각 스위칭 소자의 손실과 PSIM Thermal Module을 이용한 손실 시뮬레이션 결과는 표2와 표 3에 나타내었다.

성능/효과

제안된 회로에는 Si IGBT, GaN FET, SiC FET를 각각 적용하여 스위치 손실 분석 및 시뮬레이션을 수행하였다. 결과를 통하여 인덕션 쿠커 응용분야에서 기존의 Si기반의 스위치 디바이스 비교하여 와이드밴드갭 소자의 우수성을 확인한다.
회로에서의 손실수식을 통해 계산된 스위치 손실값과 시뮬레이션 결과를 통한 손실의 오차는 약 4%로 거의 일치하는 것을 볼 수 있다. 따라서 이론적인 스위칭소자 손실 계산의 타당함을 확인할 수 있었으며, 제안된 와이드밴드갭 소자들은 기존 Si IGBT에 비하여 전력효율의 향상을 가져옴을 확인할 수 있었다. 본 논문은 와이드밴드갭 소자를 사용한 전력변환회로의 전력 효율 개선의 선행적 연구로, 이후 효율 개선 연구에 대한 기여를 기대한다.
계산된 각 스위칭 소자의 손실과 PSIM Thermal Module을 이용한 손실 시뮬레이션 결과는 표2와 표 3에 나타내었다. 총 손실에 대한 결과로 GaN FET은 Si IGBT에 비하여 약 64%의 효율 상승을, SiC FET는 약 41%의 효율 상승을 보여주었다. 이 때 GaN FET과 SiC FET의 총 손실 차이는 스위칭 손실에서 크게 발생하며, 이것은 고속 스위칭을 요구하는 회로에서 SiC FET보다 GaN FET이 전력효율 상승면에서 더욱 유리하게 작용될 수 있음을 볼 수 있다.
본 논문에서는 전력효율을 향상을 위한 방안 중 하나로 인덕션쿠커 Half Bridge 전력회로의 Si IGBT를 GaN FET 및 SiC FET소자를 사용한 전력변환 회로를 제시하였다. 회로에서의 손실수식을 통해 계산된 스위치 손실값과 시뮬레이션 결과를 통한 손실의 오차는 약 4%로 거의 일치하는 것을 볼 수 있다. 따라서 이론적인 스위칭소자 손실 계산의 타당함을 확인할 수 있었으며, 제안된 와이드밴드갭 소자들은 기존 Si IGBT에 비하여 전력효율의 향상을 가져옴을 확인할 수 있었다.

후속연구

따라서 이론적인 스위칭소자 손실 계산의 타당함을 확인할 수 있었으며, 제안된 와이드밴드갭 소자들은 기존 Si IGBT에 비하여 전력효율의 향상을 가져옴을 확인할 수 있었다. 본 논문은 와이드밴드갭 소자를 사용한 전력변환회로의 전력 효율 개선의 선행적 연구로, 이후 효율 개선 연구에 대한 기여를 기대한다.

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