Wolfspeed 전력 모듈이 3상 산업 저전압 모터 드라이브를 혁신하는 방법

가장 보수적인 추정에 따르면, 전기 모터는 전 세계 모든 산업용 전기의 50% 이상, 전체 전 세계 전기의 45%를 차지합니다. 산업용 모터 구동 시스템의 효율을 조금이라도 개선하면 전 세계 에너지 소비에 크게 영향을 미치고 환경적 영향을 줄일 수 있습니다. 에너지 소비를 전 세계적으로 줄이기 위해 점점 더 엄격한 효율 표준이 등장하고 있으며, 이는 전력 전자 설계자들에게 새로운 과제를 제시하고 있습니다.

Wolfspeed 실리콘 카바이드(Silicon Carbide)는 기존의 IGBT를 실리콘 카바이드로 간단히 교체하는 것만으로 산업용 모터 드라이브의 효율성을 최대 2.4% 이상 향상시키는 우수한 솔루션을 제공합니다. 실리콘 카바이드를 이용한 추가적인 재설계는 드라이브와 모터를 통합하여 더 작고 가벼운 임베디드 산업용 드라이브를 구현할 수 있게 합니다.

이 기사에서는 Wolfspeed의 WolfPACK™ 전력 모듈이 손실을 최대 50%까지 줄이면서 더 작고 가볍고 열적으로 더 안정적인 임베디드 25kW 삼상 저전압 산업용 모터 드라이브를 어떻게 구현하는지 살펴보겠습니다.

SiC를 사용하여 더 작은 히트 싱크로 높은 효율을 달성하세요

일반적인 모터 드라이브 시스템은 AC-DC(능동 프런트 엔드) 단계를 거쳐 DC-AC(인버터) 단계로 구성됩니다. 45kHz에서 스위칭하는 6스위치 능동 프런트 엔드(AFE)를 사용하는 25kW 모터 드라이브 시스템에서, 20kHz에서 스위칭하는 실리콘과 비교한 경우 프런트 엔드 단계에서 1.3% 효율 향상을 설계자가 실현할 수 있습니다. 유사한 효율 향상은 울프스피드(Wolfspeed)의 30A 정격 전력 모듈을 8kHz에서 스위칭하는 100A 정격 Si-IGBT 모듈과 보수적으로 비교할 때 인버터에서도 실현할 수 있습니다. 이 두 가지 변화를 통해 전체적으로 2.6%의 효율 향상, 시스템 전반에서 50% 손실 감소를 달성할 수 있으며, 기존 시스템이 IE3 효율 표준이었던 경우에도 통합 모터가 IE4 효율 표준을 달성할 수 있도록 도와줍니다.
탄화규소(SiC)를 사용하여 인버터에서 달성할 수 있는 가장 주목할 만한 개선 중 하나는 시스템에서 생성되는 열을 크게 줄일 수 있다는 점입니다. 이를 통해 설계자들은 더 작은 방열판을 사용할 수 있으며, 전체적으로 더 작고 가벼운 산업용 모터 드라이브 시스템을 설계할 수 있습니다.

그림 1: 25 kW 인버터, 스위칭 주파수(Fsw) = 8 kHz, 77% 감소된 SiC MOSFET 히트 싱크: 0.31L (1.6°C/W) 대 1.37L (0.73°C/W)

위 그래프는 Wolfspeed의 실리콘 카바이드 6팩 WolfPACK™ 모듈을 기존 실리콘 IGBT 모듈과 비교하여 0.8 L 히트싱크가 장착된 25 kW 인버터에서 효율성이 향상됨을 보여줍니다. 전력 수준이 증가함에 따라, 50 A 및 100 A로 정격된 실리콘 IGBT의 접합 온도가 증가하여 고장이 발생하는 반면, Wolfspeed의 32 A 실리콘 카바이드 MOSFET은 안정적으로 유지되며 고장 임계값을 훨씬 밑돌고 있습니다.

여기서 중요한 점은 위의 효율성 향상이 최대 부하 시뿐만 아니라 부분 부하 시에도 이루어진다는 것입니다. 일부 부분 부하에서는 효율성 개선이 더욱 높아지며, 이는 이러한 기계들의 일반적인 부하 프로파일에 이상적으로 적합합니다. 또한, 테스트된 실리콘 카바이드 디바이스는 낮은 전류 정격 부품으로, 최대 부하에서 접합 온도가 105°C로 유지되어 허용 가능한 시스템 한계를 최대화할 수 있는 여유를 제공합니다. 반면, 50 A IGBT 모듈은 한계를 크게 초과하고, 100 A IGBT는 최대 부하에서 약간 초과하고 있습니다. 여기서 "한계"는 150°C로 정의되며, 전력 모듈을 사용하는 이러한 시스템에서 허용되는 최대 접합 온도에 대한 일반적인 시스템 요구 사항을 기반으로 합니다.

그림 2: 25 kW 인버터, Fsw = 8 kHz, 더 큰 Si IGBT 방열판: 1.37 L (0.7°C/W), 더 작은 SiC 방열판: 0.8 L (0.99°C/W)

실현 가능하고 작동하며 최적화된 시스템을 보장하기 위해, IGBT 방열판 크기를 0.8L에서 1.37L로 확대했으며, 다른 방열판을 사용하여 실리콘 카바이드 방열판 크기를 61% 줄임으로써 접합 온도를 올려 버퍼를 줄일 수 있도록 했습니다. 이로 인해 실리콘 카바이드 솔루션의 방열판 크기가 IGBT에 비해 77% 작아졌습니다. 이러한 수정 사항에도 불구하고, 50 A IGBT는 여전히 150°C 온도 한계를 크게 초과하지만, 32 A 부품과 100 A IGBT는 약 129°C의 동일한 접합 온도에 도달합니다. 또한 주목할 만한 점은 실리콘 카바이드 인버터의 효율이 1.1% 증가했다는 것입니다. 요약하자면, 3상 공급 25kW 시스템에서 실리콘 카바이드와 크기가 줄어든 최적화된 방열판을 사용하는 경우, 초기에는 IE3 효율을 갖고 있던 통합 모터가 IE4 효율 기준을 달성하면서 전체적으로 2.4%의 효율 증가와 600W 손실 감소를 달성할 수 있음을 보여줍니다.

추가 비용 없이 시스템 전체 손실을 최대 50%까지 줄이세요

실리콘 카바이드(Silicon Carbide)는 산업용 저전압 모터 드라이브에서 시스템 수준에서 엄청난 가치를 제공합니다. 실리콘 카바이드 디바이스의 초기 비용은 기존 실리콘 IGBT보다 더 높을 수 있지만, 더 높은 스위칭 주파수와 더 적은 손실로 인해 수동 소자와 히트싱크에 대한 투자 비용이 감소합니다.

이 최적화된 시스템은 최대 605 W의 전력 절감을 가능하게 하며, 연간 8,200시간 동안 다양한 부하 프로파일을 고려할 경우, 2023년 11월 기준 중국의 전기 비용을 기준으로 25 kW 시스템에서 연간 1,297.8 RMB의 비용 절감 효과를 가져올 수 있습니다. 그리고 향후 15년 동안 최대 약 19,000 RMB의 절약을 누릴 수 있습니다. IGBT를 실리콘 카바이드 디바이스로 교체하는 것이 초기 비용 면에서 더 비쌀 수 있지만, 전체적인 시스템 비용을 고려할 때 실리콘 카바이드의 높은 비용은 수동 소자의 감소로 상쇄되며, 동시에 산업 모터 드라이브 최종 시스템에서 새로운 수준의 효율성을 달성할 수 있습니다.

그림 3: 25 kW 인버터, FSW = 16 kHz, 41% 감소된 SiC MOSFET 히트 싱크: 0.80 L (0.99°C/W) vs 1.37 L (0.73°C/W)

그림 3에서 우리는 실리콘 카바이드가 훨씬 더 높은 스위칭 주파수에서도 우수한 성능을 가능하게 한다는 점을 추가적으로 지원합니다. 여기에서 스위칭 주파수를 8kHz에서 16kHz로 증가시키고, 비교 가능한 IGBT의 히트 싱크보다 41% 더 작은 히트 싱크를 사용합니다. Wolfspeed의 실리콘 카바이드 FM3 Six-Pack 파워 모듈을 사용해도 여전히 99% 이상의 효율을 유지하거나 그 근처에 있으며, 최대 하중에서 150°C 온도 제한에 근접합니다. 50A 및 100A IGBT는 각각 10kW 및 15kW에서 열적으로 실패하기 시작하는데, 이는 증가된 스위칭 손실 때문입니다. 이 높은 전류 등급의 IGBT를 Wolfspeed의 FM3 실리콘 카바이드 모듈처럼 효과적으로 작동하게 하려면 설계자들은 훨씬 더 큰 히트 싱크나 높은 전류 등급의 부품을 포함해야 할 필요가 있습니다. 흥미롭게도, 실리콘 카바이드로 인버터 효율이 16kHz에서 여전히 IGBT로 인버터 효율이 8kHz일 때보다 더 높습니다.

결론

결론적으로, 기존 실리콘 IGBT를 실리콘 카바이드로 대체하면 25kW 산업용 저전압 모터 드라이브 시스템에서 최대 2.6%의 전체 효율 향상을 달성할 수 있습니다. 더 높은 출력 수준에서의 높은 효율 개선은 부하 프로파일 전반에 걸쳐 가능하며, 이는 막대한 에너지 절약을 가져옵니다. 실리콘 카바이드는 또한 더 작은 수동 부품과 방열판 덕분에 향상된 전력 밀도를 제공하며, 전체 시스템 비용 및 크기 최적화를 가능하게 합니다. 추가적으로, 높은 접합 온도 가능성과 SiC 디바이스의 개선된 열 방출 능력, 낮은 손실은 설계자가 더 컴팩트한 시스템을 구축할 수 있도록 해주며, 드라이브와 모터의 쉬운 통합을 가능하게 합니다.

Wolfspeed 웹사이트에서 Wolfspeed가 산업용 저전압 모터 드라이브의 진화를 어떻게 지원하는지에 대해 더 알아보세요.