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새로운 수준의 전력밀도

18 Jan

보다 많은 애플리케이션에 사용되고 있는 효율성 높은 인버터 어셈블리

15년 전통을 자랑하는 MiniSKiiP 제품계열에 2개의 신규제품이 추가되었다. 하나는 MiniSKiiP 3-level 모듈이고 다른 하나는 MiniSKiiP IPM이다. MiniSKiiP 모듈은 그것이 가진 전력밀도, 신뢰성 및 쉽고 간편한 설치로 인해 매우 성공적이라는 평가를 받았다.

3-level MiniSKiiP은 다른 경쟁 제품들에 비해 모듈 면적당 전류가 가장 높으며 스위칭 손실(Switching Loss)이 감소되어 태양열 인버터 및 UPS 인버터에 사용할 때 효율성을 증가시킨다.

IPM 솔루션은 드라이버(Driver) 개발단계가 생략되어 상용제품을 위한 개발시간을 단축시킬 수 있다. 이와 같은 개발 방식은 MiniSKiiP 제품계열을 인버터 기술에서의 표준 플랫폼으로 정립시켜줄 것이다.

전 세계 드라이브(Drive) 및 주파수 컨버터(Frequency Converter)에 1,500만 이상의 MiniSKiiP 모듈이 사용된다. 특히, 유럽의 인버터 제조업체들은 최대 30kW의 저전력 애플리케이션용으로 MiniSKiiP 모듈을 사용한다.

MiniSKiiP 모듈이 사용되는 애플리케이션 중 4분의 3이 펌프, 로봇 팔(Robotic Arm), 인쇄장비 및 컴프레서(Compressor)용 표준 드라이브들이다. 올해 이러한 경향은 계속해서 증가하여 300만개의 MiniSKiiP 모듈이 추가적으로 사용될 것으로 예상된다.

나아가 MiniSKiiP 제품계열은 기존의 유럽 시장 이외에도 아시아 시장까지 그 점유율을 높여가고 있다. 또한 이 제품의 공급은 2개의 공급업체에 의해 이루어지며 이는 고객 수요 만족을 위한 공급의 신뢰성을 증진시켰다.

신제품인 3-level 토폴로지(Topology)는 손실을 낮춤으로써 IGBT 반도체 모듈의 효율성을 증진시켰으며 그 결과 전력 인버터의 전반적인 효율성이 증대되었다. 이것이 3-level MiniSKiiP 모듈이 향후 태양열 인버터 및 무정전전원공급장치(UPS; Uniterruptable Power Supply, 이하 UPS) 시스템에서 표준이 될 자격이 있는 이유이다.

MiniSKiiP IPM은 공조설비(Air Conditioning System)와 산업용 드라이브에서 계속해서 점유율을 확장해 나갈 것이다. 이 모듈은 내장 드라이버(Integrated Driver) 및 이에 상응하는 드라이버 회로(Corresponding Driver Circuit)에서 주요 역할을 하며 최적화된 스위칭 특성을 자랑한다.

이는 드라이버의 특성이 특화될 필요가 없는 애플리케이션에도 사용될 수 있음을 의미하며 실제 애플리케이션들 중 80%에서 사용된다. 따라서 더 이상 게이트 드라이버를 전력 모듈에 맞게 적용시킬 필요가 없다. 이에 MiniSKiiP IPM을 주요 특징으로 하는 제품들을 개발하여 시장(특히, 유럽과 아시아를 겨냥한 시장)에 내놓는 시간이 크게 감소했다.

효율성 증가, 비용 감소
지난 10년간 이루어진 약 40%가량의 에너지 비용의 증가는 드라이브 제어를 위한 인버터의 사용을 증가시켜왔다. 인버터 손실과 그에 따른 전반적인 인버터 비용을 감소시킴으로써 고효율성 뿐만 아니라 에너지 비용도 절감할 수 있다.

고효율성은 특히 UPS 시스템 및 태양열 인버터 시장에서 매우 중요한 요인이다. 이들 시장은 효율성 증진 및 라인 품질(Line Quality) 개선 측면에서 3-level 토폴로지로부터 수혜를 얻게 될 것이다.

사실 최초의 3-level 토폴로지는 약 30년 전에 이미 제안되었었다. 그러나 인버터 시장에서의 기술적 진보는 그러한 제안을 구현해낼 만큼 충분히 빠르게 이루어지지 않았다. 최초의 3-level 토폴로지는 효율적이라는 이유로 고전압 애플리케이션에서 사용되었다.

오늘날 이 토폴로지는 UPS 시스템 및 태양열 인버터에 사용되기에 이르렀으며 높은 스위칭 주파수가 요구되는 애플리케이션에서 사용되고 있다. 기존의 일반적인 2-level 토폴로지에 비해 손실이 훨씬 줄어든 덕분에 3-level 토폴로지의 전반적인 인버터 손실을 40%까지 감소시킬 수 있었으며 나아가 보다 높은 스위칭 주파수를 구현할 수 있었다.

2-level 토폴로지와 3-level 토폴로지 사이의 가장 큰 근본적인 차이점은 기존의 전압 수준의 단 절반 수준에서도 스위칭이 가능하여 스위칭 손실이 감소되었다는 것이다.

3-level 토폴로지는 고조파를 줄여준다
3-level 토폴로지 모듈은 3-level 모듈(직렬로 된 4개의 IGBT)의 경우 Phase Leg 당 10개, 2-level 모듈의 경우 4개의 전력 반도체를 필요로 하는 등 더 많은 전력 반도체를 필요로 할 것이다. 그러나 이는 1200V급 반도체들에 비해 600V급 반도체의 더 높은 전류밀도에 의해서 어느 정도 상쇄된다.

이와 동시에 몇 가지의 이점을 반영할 수 있는 또 다른 차이점은 개선된 스펙트럼 성능이다. 2-level 모듈은 가능한 한 낮은 고조파를 유지하기 위해 대면적의 필터가 필요한 반면 3-level 모듈은 출력 전압을 위한 중간 단계의 면적만이 필요하다.

이러한 방식으로 출력 신호가 훨씬 개선될 수 있으며 그 결과 고조파가 개선되고 필터 크기를 감소시킬 수 있다. 이는 필터 비용의 절감을 가져온다.

출력 전압 신호의 품질 개선 혹은 동일한 스위칭 주파수에서의 왜곡 요인들(Distortion Factor)의 감소는 전기 에너지 공급라인에서 매우 중요하다. 인버터가 에너지 공급라인에서 정현파 전류(Sinusoidal Current)를 발생시키지 않아 이들 고조파들이 라인 전압(Line Voltage)을 왜곡시키므로 라인 전압에서의 낮은 THD(Total Harmonic Distortion)는 라인에서의 전압 품질과 직결된다.

출력 전류의 낮은 왜곡 요인으로 인해 높은 스위칭 주파수를 필요로 하는 애플리케이션은 비싼 라인 필터를 필요로 하지 않는다. 사무실 혹은 공장 등과 같은 작업 환경에서 인버터의 노이즈(Noise)를 억제하기 위해 애플리케이션을 최적화시키는 것 또한 가능하다.

원스텝 조립
3-level MiniSKiiP 모듈의 레이아웃(Layout)은 다음과 같이 최적화되었다. 먼저 4개의 커뮤테이션 경로(Commuca¬tion Path, 轉流)는 최소 면적을 차지하며 이들의 단자(Terminal)는 최대한 근접하게 위치하고 있다. 이러한 최적화를 통해 모듈의 인덕턴스(Inductance) 및 과전압을 최소치로 유지한다.

또한 스프링 접촉(Spring Contact)을 채택한 덕분에 3-level MiniSKiiP 모듈의 전력밀도는 4.9 A/cm3로 높아졌으며 이는 프레스 핀(Press Pin)을 이용한 모듈보다 0.7 A/cm3 높은 수치이며 나사 연결(Screw Connection)을 이용한 모듈보다 1.9 A/cm3 높은 수치이다.

MiniSKiiP 제품계열의 경우, 모듈 면적당 전류는 다른 3-level 모듈보다 거의 2배에 가까우며 3상(3 Phases) 사이에 고체의 부스바(Solid Bus Bar)가 필요하지 않다. 이러한 사실과 상기에서 언급했던 필터 크기의 감소를 통해 더 작은 인버터들의 제작이 가능하게 되었다.

MiniSKiiP 모듈의 조립은 매우 간단하다. 모듈은 단 하나의 나사로 히트싱크(Heat Sink)와 드라이버 보드에 연결시킬 수 있으며 이 간단한 조립으로 150A의 모듈 전류에 적합한 전기적, 열적 연결(Thermal Connection)을 만들 수 있다. 납땜 공정에 시간을 소비할 필요가 없으며 스프링 접촉 기술을 채택한 덕분에 필요한 경우 PCB를 쉽게 교체할 수 있다.

즉, 싱글스텝(Single-Step) 조립은 MiniSKiiP을 산업 표준이 되게 해줄 또 다른 이점이라 할 수 있으며 이러한 간편한 조립은 케이스 크기에 상관없이 인버터 조립 하나당 최대 미화로 5달러의 비용 절감을 가능하게 해준다.

보다 쉬운 인버터 개발을 위한 내장 드라이버
조립에서의 이 모든 장점들은 MiniSKiiP IPM에도 적용된다. 케이스 크기가 49 cm3인 경우 드라이버가 이미 내장되어 있기 때문에 동급의 토폴로지를 이용한 IPM의 전류밀도보다 50%가 높으며 추가적인 기능을 제공한다.

SOI (Silicon-On-Insulator) 기술이 적용된 HVIC (High-Voltage-Integrated-Circuit) 드라이버는 전자파 간섭 및 스위칭 특성을 개선하기 위해 High-Side 혹은 Low-Side IGBT를 제어할 혁신적 수준의 컨버터가 포함되어 있다.

드라이버 이외에도 레지스터(Resistor)를 사용하여 IPM을 모든 애플리케이션 중 80%에서 사용 가능하게 하였다. 특히 드라이버 내장에 대해 우려할 필요가 없고 다른 한편으로는 관련 드라이버의 개발 능력을 필요로 하지 않는 SME에서 매력적이다. 제어장치(Controller)를 프로그램하고 통합시키기만 하면 된다.

MiniSKiiP IPM이 사용자에게 충분한 구성 가능성(Configuration Possibilities)을 제공하기 위하여, 전류 모니터링을 위한 ITRIP 입력 및 더 높은 스위칭 쓰리숄드(Switching Threshold)를 가진 추가적인 다목적 에러 입력(Error Input) 모두를 갖추고 있다. 이러한 입력은 애플리케이션에 적합한 추가적인 자유도를 부여한다. 모든 MiniSKiiP 모듈은 적합하게 집적된 온도 센서를 갖추고 있다.

결론
MiniSKiiP은 전력전자 분야에서 대명사가 되었다. 이들 모듈은 우수한 전력밀도, 빠르고 쉬운 조립으로 높은 평가를 받았다. 실제로 MiniSKiiP 모듈, PCB 및 히트싱크를 연결하기 위해서는 나사 하나면 충분하다. 납땜 접촉(Solder Contact) 기술 대신 모든 전력, 게이트 및 PCB의 부수적 연결에 압력 접촉(Pressure Contact) 기술이 사용되었다.

다른 경쟁 IGBT 모듈들과는 다른 본 시스템의 셀링 포인트(Selling Point; 판매상의 강조점)인 스프링 접촉방식 덕분에 전기적 접촉(Electrical Contact)의 서비스 수명이 증가되고 신뢰성은 더욱 향상되었다. 또한 전체 시스템의 진동 내구력이 개선되었다.

낮은 왜곡 요인으로 효율성이 증가된 3-level MiniSKiiP과 내장 드라이버를 갖춘 MiniSKiiP IPM 등 MiniSKiiP 제품계열에 새로운 제품이 추가되었다. 이들 모듈은 다양한 신규 애플리케이션 영역에서 비용-효율적이고 효과적인 인버터의 사용을 가능하게 해주었다. © http://www.semikron.com

아이씨엔 매거진 2012년 09월호

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Posted by on January 18, 2016 in Automation

 

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