[논문]SiC FET을 이용한 대용량 인버터 특성 분석

정하용; 임양택; 김시호; 김남준; 김종수

문제 정의

따라서 본 논문에서는 최근 출시된 대용량 SiC FET Module을 (1200V/300A) 이용하여 80kW급 3상 PWM 인버터를 구현하고, 기존 IGBT 대비 Gate 특성, 과도특성, 각 부 손실, 시스템 효율, 온도 특성 등을 시뮬레이션 및 실험을 통해 비교함으로써 SiC FET의 대용량 인버터 적용 가능성 및 한계 등을 고찰하고자 한다.
본 논문은 고효율 인버터를 개발하기 위하여 차세대 반도체로 평가받는 와이드 밴드 갭 소자인 SiC FET를 이용하여, 인버터를 설계하고, 현재 가장 많이 사용되는 반도체 소자인 Si IGBT와 성능을 비교해 보았다. 시뮬레이션과 실험을 통해 SiC FET 인버터는 Si IGBT 인버터보다 스위칭 손실과 다이오드 역회복 손실 측면에서 매우 우수한 특성을 보이는 것을 확인하였다.

제안 방법

이론 및 모의실험 결과 검증을 위해 그림 3과 같이 실험세트를 구성하였으며 실험조건은 모의실험조건과 대부분 일치시켰으나 부하조건은 저항부하 대신 Reactor 부하로 v/f 제어를 통해 정격 출력전류만 동일크기로 제어하였다. SiC FET과 IGBT의 특성 비교를 위해 모든 조건은 동일하게 설정하였으나, SiC FET 제조사의 추천에 따라 SiC FET의 게이트는 +20/ 5V로 구동하였다.
그림 2는 모의실험을 위한 전체 schematic을 나타내고, 모의실험 조건은 Po=80kW, Vin=600Vdc, Vout=380Vac, Iout=121Arms, fsw=5kHz & 10kHz, LPF=0.75mH/130uF이며 SiC와 IGBT의 실제 소자 특성곡선을 바탕으로 소자 모델링을 수행하였다.
손실분석을 위한 모의실험을 PSIM thermal module을 이용하여 수행하였다. 그림 2는 모의실험을 위한 전체 schematic을 나타내고, 모의실험 조건은 P_o=80kW, V_in=600Vdc, V_out=380Vac, I_out=121Arms, fsw=5kHz & 10kHz, LPF=0.
이론 및 모의실험 결과 검증을 위해 그림 3과 같이 실험세트를 구성하였으며 실험조건은 모의실험조건과 대부분 일치시켰으나 부하조건은 저항부하 대신 Reactor 부하로 v/f 제어를 통해 정격 출력전류만 동일크기로 제어하였다. SiC FET과 IGBT의 특성 비교를 위해 모든 조건은 동일하게 설정하였으나, SiC FET 제조사의 추천에 따라 SiC FET의 게이트는 +20/ 5V로 구동하였다.

대상 데이터

SiC FET은 소재와 제조특성 상 1) Si 기반 IGBT에 비해 10배 이상 높은 breakdown field를 가지기 때문에 동일 breakdown votlage 조건에서 더 낮은 온저항과 빠른 스위칭이 가능하고, 2) 3배 이상의 thermal conductivity를 가지기 때문에 보다 높은 current density를 가지며, 3) 3배 이상의 bandgap으로 인해 더 높은 온도에서 동작이 가능한 소자로 알려져 있다. SiC FET 인버터 성능 성능평가를 위하여 Cree사의 1200V/300A SiC FET과 동일 사양의 Infineon사 IGBT를 선정하였고 표 1에 각 module의 주요 사양을 나타내었다.

성능/효과

5%로 약 82% 손실이 증가되는 것을 볼수 있다. fsw가 증가하는 고주파 스위칭 시 IGBT인버터보다 SiC FET을 적용한 인버터가 고효율 및 고밀도 획득이 가능하다는 것을 확인할 수 있다.
표 2는 모의실험을 통해 도출된 SiC FET과 IGBT의 각 부 주요손실을 나타낸다. 모의실험 결과 SiC FET이 IGBT에 비해 스위칭 손실이 현저히 낮은 것을 확인할 수 있으며, 스위칭 주파수 증가에 따른 손실 증가 비율도 더 낮은 것을 확인할 수 있다.
본 논문은 고효율 인버터를 개발하기 위하여 차세대 반도체로 평가받는 와이드 밴드 갭 소자인 SiC FET를 이용하여, 인버터를 설계하고, 현재 가장 많이 사용되는 반도체 소자인 Si IGBT와 성능을 비교해 보았다. 시뮬레이션과 실험을 통해 SiC FET 인버터는 Si IGBT 인버터보다 스위칭 손실과 다이오드 역회복 손실 측면에서 매우 우수한 특성을 보이는 것을 확인하였다. 이를 통해 더 높은 스위칭 주파수 동작으로 IGBT 대비 고밀도 구현이 가능하고 또는 동일 전력밀도 구현 시 30% 이상의 효율 향상이 가능하다는 것을 확인하였다.
위의 두 값을 비교해보면 fsw가 5kHz에서 10kHz로 증가하였을 경우, SiC FET 인버터는 fsw가 10kHz 조건에서는 SiC 효율 98.5로 약 63% 손실이 증가 되는데 반해, IGBT의 경우 97.5%로 약 82% 손실이 증가되는 것을 볼수 있다. fsw가 증가하는 고주파 스위칭 시 IGBT인버터보다 SiC FET을 적용한 인버터가 고효율 및 고밀도 획득이 가능하다는 것을 확인할 수 있다.
시뮬레이션과 실험을 통해 SiC FET 인버터는 Si IGBT 인버터보다 스위칭 손실과 다이오드 역회복 손실 측면에서 매우 우수한 특성을 보이는 것을 확인하였다. 이를 통해 더 높은 스위칭 주파수 동작으로 IGBT 대비 고밀도 구현이 가능하고 또는 동일 전력밀도 구현 시 30% 이상의 효율 향상이 가능하다는 것을 확인하였다. 더불어 과도현상의 저감을 통해 EM 노이즈 측면에서도 장점을 가질 것으로 예상되어 향후 SiC FET의 IGBT 대체 가능성이 높을 것으로 예상된다.

후속연구

이를 통해 더 높은 스위칭 주파수 동작으로 IGBT 대비 고밀도 구현이 가능하고 또는 동일 전력밀도 구현 시 30% 이상의 효율 향상이 가능하다는 것을 확인하였다. 더불어 과도현상의 저감을 통해 EM 노이즈 측면에서도 장점을 가질 것으로 예상되어 향후 SiC FET의 IGBT 대체 가능성이 높을 것으로 예상된다.

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