초록 ▼

○ 연구개요
본 연구에서는 국내 최초로 전동기 친화형 출력 필터를 갖는 GaN FET 기반 매트릭스 컨버터를 개발하였다. 개발한 컨버터는 기존 Si 반도체 대비 높은 스위칭 주파수에서 동작 가능하고 따라서 필터의 크기를 줄일 수 있다. 한편, GaN 이나 SiC 전력반도체는 높은 dv/dt 특성을 갖는데, 그로 인하여 부하 전동기에 절연 파괴, 누설전류 증가, 특정 부위의 전압 집중과 같은 문제가 발생한다. 이를 해결하기 위하여 본 연구에서는 dv/dt 및 정현파 출력 필터를 설계 및 제작 후 매트릭스 컨버터에 적용하여 그 유

○ 연구개요
본 연구에서는 국내 최초로 전동기 친화형 출력 필터를 갖는 GaN FET 기반 매트릭스 컨버터를 개발하였다. 개발한 컨버터는 기존 Si 반도체 대비 높은 스위칭 주파수에서 동작 가능하고 따라서 필터의 크기를 줄일 수 있다. 한편, GaN 이나 SiC 전력반도체는 높은 dv/dt 특성을 갖는데, 그로 인하여 부하 전동기에 절연 파괴, 누설전류 증가, 특정 부위의 전압 집중과 같은 문제가 발생한다. 이를 해결하기 위하여 본 연구에서는 dv/dt 및 정현파 출력 필터를 설계 및 제작 후 매트릭스 컨버터에 적용하여 그 유효성을 실험적으로 확인하였다. 실험 결과 제안하는 매트릭스 컨버터와 출력 필터를 이용할 경우 전동기의 입력 전압 품질이 NEMA규격을 만족시킬 수 있고, GaN 기반 매트릭스 컨버터의 전동기 구동 시스템 적용이 가능함을 검증하였다.

○ 연구 목표대비 연구결과
본 연구의 목표는 전동기 친화형 출력 필터를 갖는 GaN FET 기반 매트릭스 컨버터를 개발하고 그 과정에서 GaN FET 구동 기술, 회로 제어 기술, 산업 규격에 적합한 전동기 구동 기술을 축적함과 동시에 이 분야의 고급 공학 인재를 양성하는 것이다. 이를 위하여 매트릭스 컨버터 3종, 게이트 드라이버 3종, 필터 4종을 개발하여 성능을 실험적으로 검증하고 논문으로 발표하였다. 국내에서는 시도한 적이 없는 GaN 매트릭스 컨버터를 개발하며 GaN 반도체를 이용한 양방향 스위치 구현에 관한 기술과 패턴 해석을 통한 안정적인 게이트 구동 회로 레이아웃 기술을 축적하였다.
특히 중전기기 산업체에서 요구되는 전동기 친화형 필터의 설계 기법을 분석하고 이를 구현하여 전동기 구동 시스템의 누설전류 저감과 입력전압의 국제 규격 준수가 가능함을 보였다. 연구 결과 GaN 전력반도체의 높은 dv/dt 특성으로 인해 dv/dt, 정현파 또는 이에 준한 전동기 친화형 필터가 요구됨을 확인하였다. 또한 GaN 소자의 빠른 스위칭 특성으로 스텝리스 전환이 용이하지만 여전히 스위칭 중복구간이 나타나며 이 영향을 줄이기 위한 CL필터를 제안하였다. 위의 내용들은 모두 논문 또는 특허로 발표하였다. 계획하였던 정량적 목표 15개중 최고 효율(목표 97.5%, 결과 96.8%)과 역률(목표 0.985, 달성 0.94)을 제외한 모든 항목(정격 5.5kW, THD 4%미만, 유니버셜 입력 주파수, 출력 최대 600Hz, 동기기 V/F 운전, 병렬 운전 외)을 달성하였다. 연구 진행간 11편의 논문발표와 2건의 특허를 출원하였고 8명의 연구비 수혜와 5명의 인력을 배출하였다. SCI논문과 학술대회논문은 5편과 4편으로 목표 대비 각각 1편씩을 초과 달성하였다.

○ 연구개발결과의 중요성
본 연구에서는 국내에서 시도한 적이 없는 GaN FET 매트릭스 컨버터를 개발하였고 전동기 친화형 필터를 적용하여 전동기 구동 시스템의 소형화, 장수명, 전동기 절연 성능 열화 방지 및 낮은 누설전류의 달성이 가능함을 보였다. 이는 SiC 및 GaN 등 WBG 전력반도체의 전력변환회로 적용을 목표로 하는 산업계에서 절실히 요구되고 있는 부분이다. 또한 GaN FET을 이용한 양방향 스위치의 구현 방법, 안정적인 게이트 구동 회로 설계 기술, 전동기 친화형 필터 설계 기술 등은 향후 이러한 응용분야에 본 연구의 결과들이 기반 자료로 사용될수 있을 것으로 여겨진다.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 1-1. 본 연구개발의 필요성 ... 4
• 1-2. 연구 범위 및 최종목표 ... 5
• 2. 연구수행내용 및 연구결과 ... 5
• 2-1. 연구수행내용 요약 ... 5
• 2-2. 연구결과 ... 6
• 3. 연구개발결과의 중요성 ... 13
• 4. 참고문헌 ... 14
• 5. 연구성과 ... 15
• 대표적 연구실적 ... 18
• 끝페이지 ... 28