1. 서 론

최근 환경문제에 대한 관심이 급증함에 따라 환경규제가 강화되면서 친환경자동차 및 친환경에너지에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 앞서 언급된 분야에서 전력반도체 소자 및 전력변환장치는 중요한 역할을 하며 대표적으로 사용되는 장치는 인버터이다^(1-3). 인버터는 직류전원을 교류전원으로 변환시키는 용도로 이용되며 일반적으로 IGBT, MOSFET과 같은 반도체 스위칭 소자 6개로 구성된 3상 인버터가 널리 사용된다. 원하는 주파수 및 크기의 교류 출력을 만들어내기 위해 6개의 스위칭 소자를 교대로 on / off 제어하고 이 과정에서 반도체 스위치에 손실이 발생하게 된다. 이러한 손실을 줄이고 인버터의 효율을 높이기 위해 연구가 활발히 진행되고 있다^(4-8).

반도체 스위치에서 발생하는 손실은 크게 도통 손실과 스위칭 손실로 나누어진다⁽⁹⁾. 도통 손실은 스위치가 on되어 있는 동안 발생하는 손실로 스위치에 의한 전압 강하 및 등가저항과 도통전류의 곱으로 표현되는 손실이다. 반도체 스위치의 전압 강하 및 등가저항 값은 스위치 공정상에서 각 스위치마다 가지게 되는 특성 값이다. 스위칭 손실은 스위치가 on에서 off 또는 off에서 on으로 상태 변경될 때의 과도기 구간에서 스위치 양단 전압과 스위치에 흐르는 전류의 곱이 0이 아닌 상태가 되어 발생하는 손실이다.

스위칭 손실은 turn-on 손실, turn-off 손실, reverse recovery 손실로 나누어지며 각 손실은 스위치 상태가 바뀌는 과도기 구간에서 발생한다. 이러한 스위칭 손실을 줄이기 위해 과도기 구간에서 스위치 양단 전압 또는 스위치에 흐르는 전류를 0이 되도록 제어하는 ZVS(Zero voltage switching)과 ZCS(Zero current switching)이 제안되었다⁽⁴⁾-⁽⁶⁾. ZVS는 스위치를 on시키기 전에 우회회로를 통해 스위치 양단 전압을 먼저 0으로 떨어트린 뒤 스위치를 on시키는 스위칭 방법으로 turn-on 손실과 reverse recovery 손실을 줄여 준다. ZCS는 스위치를 off시키기 전 우회회로를 통해 스위치에 흐르는 전류를 줄인 후 스위치를 off시키는 스위칭 방법으로 turn-off 손실을 줄여 준다. 하지만, 이러한 방식은 우회회로를 추가적으로 사용해야 한다는 점에서 비용이 많이 든다는 단점이 있다.

친환경에너지 및 친환경자동차 분야에서 사용되는 인버터는 높은 전력 수준을 요구하며 이에 따라 더 높은 전류를 제공하는 전원모듈이 필요하게 된다. 일반적으로 높은 전류를 충족시키기 위해서는 고전류 사양의 전원모듈을 사용하거나 저전류의 n-팩 모듈을 병렬 연결하여 하프브리지로 사용함으로써 전류 사양을 늘리는 방법을 이용하며 IGBT가 병렬의 용이함으로 인해 높은 전력에서 주로 사용되고 있다^(10,11). 그림 1은 고전력 인버터 모듈의 1개 arm을 높은 사양의 전원모듈을 사용할 때와 n-팩 모듈을 병렬 연결하여 하프브리지로 사용할 때의 예를 보여준다. 후자의 방식은 여러 개의 작은 칩을 병렬 연결해 사용함으로써 열 저항 및 확산의 측면에서 이점을 제공한다⁽¹²⁾. 병렬로 구성된 인버터에서도 효율을 높이기 위한 연구가 진행 중이며 그 일환으로 하이브리드 스위치가 제안되었다^(5,8). 최근 제안된 하이브리드 스위치는 도통 손실 특성이 좋은 Si-IGBT와 스위칭 손실 특성이 좋은 SiC-MOSFET을 병렬로 연결하여 사용하는 것이다⁽⁸⁾. 제안된 방식 또한 인버터 손실을 줄일 수 있지만 SiC계열 스위치는 Si계열 스위치에 비해 가격이 비싸며, 신뢰성이 중요한 전기자동차 분야와 친환경에너지 분야에서 아직 주도적으로 사용되지 않고 있기 때문에 충분한 검증이 필요하다. 현재 널리 쓰이고 있는 인버터는 Si계열 IGBT를 병렬로 연결하여 사용되고 있다.

그림. 1. 고전력 인버터 모듈의 내부 회로

Fig. 1. Internal circuit of high power inverter module

그림. 2. 병렬 스위치 제어방식 (a) 동시제어 (b) 개별제어

Fig. 2. Control method for parallel switches (a) simultaneous control (b) individual control

일반적으로 여러 개의 스위치를 병렬로 연결하여 사용할 경우 스위치를 동시에 on / off 시킴으로써 스위칭 동작 시 연결된 모든 스위치가 같이 동작하게 되고 스위칭 손실이 모든 스위치에서 발생하게 된다. 또한, 스위치간의 불균형으로 어느 한쪽의 스위치에 스위칭 손실이 집중되어 스위치 수명의 불균형을 초래할 수 있다. 본 논문에서는 병렬 연결된 스위치를 스위치 간의 게이트 신호 인가 시점에 차이를 두어 개별적으로 스위칭 하는 방식을 제안한다. 그림 2는 병렬 연결된 3개의 IGBT의 동시제어 시(a)와 개별제어 시(b)의 회로도를 보여준다. $S_{0},\: S_{1},\: S_{2},\: S_{3}$ 은 스위치에 연결되는 게이트 신호부이다.

그림. 3. 더블 펄스 테스트 회로 전류흐름 (a)　스위치 동작 시 (b) 스위치 차단 시

Fig. 3. Current flow of double pulse test circuit (a)　when switch turn on and (b)　switch turn off

그림. 4. 더블 펄스 테스트 파형

Fig. 4. The waveform of double pulse test

개별제어를 하게 되면 병렬 연결된 IGBT의 저전류 구간에서는 IGBT의 사양에 따라 1개 혹은 2개의 스위치를 먼저 on / off 시킴으로써 스위칭 손실을 먼저 on / off 한 스위치에서만 발생하게 할 수 있다. 이때, 늦게 on되는 스위치는 ZVS이 되어 스위칭 손실이 발생하지 않게 되며 먼저 off되는 스위치는 작은 스위치 양단전압으로 인해 스위칭 손실이 줄어들게 된다. 이로 인해 전체적인 스위칭 손실의 감소를 기대할 수 있으며 실질적으로 스위칭 손실 발생을 주도하는 스위치를 선택할 수 있기 때문에 각 스위치를 골고루 제어함으로써 스위치 수명을 고르게 분배할 수 있게 된다. 본 논문에서는 실험을 통해 스위칭 조합에 따른 스위칭 손실 차이를 비교하여 손실감소 효과를 검증하였다.

2. 스위칭 손실에너지 측정

2.1 더블 펄스 테스트

일반적으로 전력 반도체 스위치의 스위칭 특성을 분석하기 위해서는 더블 펄스 테스트(DPT : Double pulse test)가 사용된

그림. 5. 스위칭 손실별 과도기 구간 (a) 턴 온 손실 (b) 턴 오프 손실 (c) 리버스 리커버리 손실

Fig. 5. Transient sections by switching losses (a) turn-on loss (b) turn-off loss (c) reverse recovery loss

표 1. IGBT 모듈 제조사별 스위칭 손실 적분구간

Table 1. Switching loss integration sections by IGBT module manufacturers

표 2. 계산에 사용된 스위칭 손실 적분 구간

Table 2. Switching loss integration section used in calculation

다^(13,14). DPT는 2번의 펄스 파를 스위치의 게이트에 인가하여 처음으로 스위치가 off되는 순간에 turn-off 손실을 측정하고, 두 번째로 스위치가 켜지는 순간에 turn-on 손실과 reverse recovery 손실을 측정하는 테스트이다. 그림 3은 DPT의 개략적인 회로도와 스위치의 on / off 시 전류흐름을 보여준다. DPT회로는 기본적으로 분석 대상인 스위치, 다이오드, 유도성 부하 및 DC 전압원으로 이루어진다. 그림 3과 같이 2 in 1 모듈(하프브리지)를 대상으로 테스트할 경우 아래쪽 스위치가 테스트 대상 스위치(DUT : Device under test)가 되며 위쪽 스위치는 게이트 단자와 이미터 단자를 단락시킴으로써 회로 내에서 환류 다이오드로만 동작되게 한다. 그림 3(a)는 아래쪽 스위치가 켜졌을 때의 전류흐름을 보여준다. 전류는 부하를 지나 아래쪽스위치를 통해 흐르게 된다. 그림 3(b)는 아래쪽 스위치가 꺼졌을 때의 전류흐름으로 유도성 부하로 인해 전류는 환류다이오드를 통해 부하로 흐르게 된다. 스위칭 손실을 구하기 위해 측정되는 지표는 $i_{C},\:v_{CE},\:i_{L}$로 각각 DUT를 지나는 도통전류, DUT의 양단전압, 부하전류이다. 그림 4는 DPT를 통해 측정된 $i_{C},\:v_{CE},\:i_{L}$의 전체적인 파형을 보여준다. 스위치에 2개의 펄스파가 인가되므로 총 2번의 on / off 상태가 존재하고 스위치의 상태가 변화되는 과도기 구간(Transient state)에서 스위칭 손실이 계산된다. 첫 번째 off순간과 두 번째 on순간에서 스위칭 손실을 계산하는 것은 스위칭 손실이 도통전류의 크기에 의해 변하게 되므로 부하전류가 충분히 커진 상태의 일정한 구간에서 손실을 측정하기 위함이다.

2.2 스위칭 손실에너지 계산

스위칭 손실에너지는 DPT를 통해 스위치의 on / off 과도기 구간에서 측정한 데이터를 식 (1)-(3)에 대입하여 구할 수 있다⁽¹³⁾.

(1)

$E_{on}=\int_{t_{1}}^{t_{2}}v_{CE}(t)\times i_{C}(t)dt$

(2)

$E_{off}=\int_{t_{3}}^{t_{4}}v_{CE}(t)\times i_{C}(t)dt$

(3)

$E_{rr}=\int_{t_{5}}^{t_{6}}v_{R}(t)\times i_{R}(t)dt$

(4)

$v_{R}=V_{CC}-v_{CE}$

(5)

$i_{R}=i_{C}-i_{L}$

$E_{on},\: E_{off},\: E_{rr}$은 각각 turn-on 스위칭 손실에너지, turn-off 스위칭 손실에너지, reverse recovery 스위칭 손실에너지를 의미하며 $i_{R},\: v_{R},\: V_{CC}$은 환류 다이오드에 흐르는 전류, 환류 다이오드의 양단 전압, 입력전압을 각각 나타낸다. Reverse recovery 손실의 경우 스위치가 on될 때의 데이터를 수식 (4), (5)에 대입하여 $i_{R},\: v_{R}$을 구해 계산할 수 있다. 그림 5는 본 논문에서 사용된 각 스위칭 손실 에너지별 적분 구간과 과도기 구간에서의 $i_{C},\: v_{CE},\: i_{L}$ 파형을 보여준다. 그림 5(a), (b), (c)순으로 각각 turn-on, turn-off, reverse recovery 스위칭 손실에너지를 나타낸다. 반도체 스위치 모듈 제조사들은 $E_{on},\: E_{off}$의 사양을 위해 서로 다른 적분구간을 사용하고 있으며 표 1은 반도체 스위치 제조사별 스위칭 손실에너지 적분구간을 나타낸 표다^(15,16).

본 논문에서 사용된 IGBT는 Infineon 사의 제품으로 적분구간을 제시된 표 1로 부터 부분적으로 인용하였으며 실제 사용된 적분구간은 표 2에 제시된다.

그림. 6. 스위치 차단 시 전압 오버슈트

Fig. 6. Voltage overshoot when switch turn off

그림. 7. 실험 환경

Fig. 7. Experimental environment

그림. 8. 실험에 사용된 스위칭 방법

Fig. 8. Switching methods used in experiments

3. 실 험

3.2 실험 결과

각 스위칭 패턴에 따라 on / off 시의 과도기 구간에서 $i_{C},\: v_{CE},\: i_{L}$ 데이터를 측정하였다. 오실로스코프를 통해 파형 데이터를 엑셀 파일로 받아 스위칭 손실에너지를 계산하였으며 오실로스코프를 통해 받은 데이터의 시간 간격은 $0.4ns$이다. 본 실험에서는 부하전류$(i_{L})$가 10 ~ 200A가 될 때까지 10A단위로 데이터를 입력받아 스위칭 손실에너지를 계산하였으며 선형 보간법을 통해 1A 단위의 손실 값들을 추정하였다.

그림 9에 나타난 그래프에서 10A이전 구간의 실험데이터는 유효하지 않으므로 스위칭 패턴에 따른 손실비교는 10A이후 구간에서부터 이루어진다. 그림 9(a)는 스위칭 패턴별 turn-off 손실에 대한 비교 그래프를 나타낸다. 검정 실선, 빨강 파선, 파란 일점쇄선은 각각 스위치를 동시에 off할 때, 1개를 먼저 off할 때, 2개를 먼저 off할 때의 스위칭 손실에너지를 나타낸다. 스위치를 off할 시에는 동시 off, 1개 먼저 off, 2개 먼저 off 순으로 turn-off 손실이 작아짐을 그래프를 통해 확인할 수 있다. 동시에 스위치를 off할 때의 손실을 100%로 간주하였을 때 1개 먼저 off, 2개 먼저 off는 각각 평균 –7.29%, -13.68%의 손실 감소 효과가 있으며 특히 25A에서 70A사이의 저전류 구간에서 평균 –7.45%, -16.4%로 손실의 감소가 있었다.

그림 9(b), (c)는 스위칭 패턴별 turn-on 손실과 reverse recovery 손실에 대한 비교 그래프를 나타낸다. 검정 실선, 빨강 파선, 파란 일점쇄선은 각각 스위치를 동시에 on할 때, 1개를 먼저 on할 때, 2개를 먼저 on할 때의 스위칭 손실에너지들을 나타낸다. 그림 9(b)의 그래프를 통해 turn-on 손실은 스위치를 동시에 on, 1개 먼저 on, 2개 먼저 on 순으로 스위칭 손실에너지가 커짐을 확인할 수 있다. 동시에 스위치를 on할 때의 손실을 100%로 간주하였을 때 1개 먼저 on, 2개 먼저 on은 각각 평균 +11.2%, +33.75%로 손실이 증가하였다. 그림 9(c)의 그래프를 통해 reverse recovery 손실은 스위치를 동시에 on, 1개 먼저 on, 2개 먼저 on 순으로 스위칭 손실에너지가 작아짐을 확인할 수 있다. 동시에 스위치를 on할 때의 손실을 100%로 간주하였을 때 1개 먼저 on, 2개 먼저 on은 각각 평균 –1.03%, -2.11%로 손실이 감소하였다.

그림. 9. 스위칭 순서에 따른 스위칭 손실에너지 비교 (a) $E_{off}$ (b) $E_{on}$ (c) $E_{rr}$

Fig. 9. Comparison of switching energy losses depending on switching sequence (a) $E_{off}$ (b) $E_{on}$ (c) $E_{rr}$

4. 손실 분석

앞선 실험결과를 바탕으로 각 스위칭 패턴에 따른 손실데이터를 비교하여 스위칭 손실을 최소화할 수 있는 on / off 패턴을 찾아낼 수 있다. on시 3개, off시 3개의 스위칭 방법이 존재하므로 총 9개의 스위칭 패턴이 존재하며 다음과 같다.

패턴 1 : 스위치 1개 먼저 ON / 1개 먼저 OFF

패턴 2 : 스위치 1개 먼저 ON / 2개 먼저 OFF

패턴 3 : 스위치 1개 먼저 ON / 3개 동시 OFF

패턴 4 : 스위치 2개 먼저 ON / 1개 먼저 OFF

패턴 5 : 스위치 2개 먼저 ON / 2개 먼저 OFF

패턴 6 : 스위치 2개 먼저 ON / 3개 동시 OFF

패턴 7 : 스위치 3개 동시 ON / 1개 먼저 OFF

패턴 8 : 스위치 3개 동시 ON / 2개 먼저 OFF

패턴 9 : 스위치 3개 동시 ON / 3개 동시 OFF

turn-off 손실은 항상 스위치 2개를 먼저 off할 때 가장 적은 손실이 발생하므로 손실을 최소화하는 패턴을 찾기 위해서는 스위칭 패턴 2, 5, 8에 대해서만 손실의 비교가 이루어진다. 스위칭 손실은 수식 (7)과 같이 turn-on 손실, reverse recovery 손실, turn-off 손실의 합으로 계산할 수 있으며 turn-on 손실과 reverse recovery 손실은 스위치의 on 동작 시에 동시 측정된 손실 값이므로 함께 발생하는 손실로 간주한다.

그림. 10. 전류영역 및 스위칭 패턴 변화에 따른 동시제어와 손실 최소화 제어 비교 (a) $E_{sw}$ (b) $E_{sw}/E_{sw,\:\min}[\%]$

Fig. 10. Comparison of simultaneous control and loss minimization control due to current region and switching pattern change (a) $E_{sw}$ (b) $E_{sw}/E_{sw,\:\min}[\%]$

그림 10(a)는 손실 비교를 통해 손실을 최소화하는 스위칭 조합을 전류 구간별로 나타낸 그래프이다. 검정, 빨강 선은 각각 스위치를 동시에 제어했을 때의 스위칭 손실$(E_{sw})$과 스위칭 조합을 전류크기별로 바꾸어 손실$(E_{sw,\:mi n})$을 최소화했을 때의 스위칭 손실을 나타낸다. 그림 10(b)는 스위치를 동시제어 했을 때와 최소 손실제어를 했을 때의 스위칭 손실 비 $E_{sw}/E_{sw,\:mi n}$[%]를 나타낸 그래프이다. 그림 10(b)를 통해 전류크기가 커질수록 스위칭 손실 차이는 줄어드는 것을 확인할 수 있으며, 200A이후에도 손실차이는 점점 줄어들 것으로 예상할 수 있다. Ⅰ영역에서는 스위칭 패턴 2를 사용함으로써 평균 –8.93%의 손실 감소 효과를 얻을 수 있으며 Ⅱ영역에서는 스위칭 패턴 8을 사용할 시에 평균 -7.62%의 손실 감소 효과가 있다. 20A에서 60A사이의 저전류 구간에서 평균적으로 가장 적은 손실을 보이며 전류가 증가할수록 손실감소 효과는 줄어든다.

20~60A의 저전류 구간에서는 스위치 on / off시 개별제어를 통해 스위칭 손실을 최소화하고, 이후 전류 구간에서는 사용되는 스위치모듈의 전류스펙을 넘지 않는 구간(Ⅰ,Ⅱ영역)까지 off시에만 스위치를 개별제어 함으로써 손실을 줄일 수 있다. 전류구간이 스위치 1개의 전류스펙을 넘어서는 시점(Ⅲ영역)부터는 스위치를 동시에 on / off하는 스위칭 패턴 9를 사용해 고전력 모듈로서 사용할 수 있다.

5. 결 론

고전력용 인버터로 사용되는 기존의 병렬 스위치모듈은 연결된 스위치 모두를 함께 스위칭 함으로 인해 모든 스위치에서 스위칭 손실이 발생하는 단점과 스위치간의 불균형으로 인해 스위칭 손실이 어느 하나의 스위치에 집중되어 스위치 수명이 불균등해 질 수 있다는 단점이 있다. 이러한 단점을 해결하기 위해 본 논문은 저전류 구간에서 병렬 연결된 스위치모듈의 개별제어를 통해 스위칭 손실을 최소화하는 스위칭 패턴 조합을 제안한다. 높은 전류구간에서는 일반적으로 사용하는 스위치의 동시제어를 통해 고전력 모듈로 사용할 수 있으며 전류가 작은 구간에서는 스위치의 개별제어를 통해 스위칭 손실을 최소화할 수 있게 된다. 또한, 실질적으로 스위칭 손실이 집중되는 스위치를 제어를 통해 주기적으로 변경 할 수 있기 때문에 스위치의 수명을 고르게 분포시킬 수 있다는 장점이 있다. 본 논문에서 제안하는 방식을 통해 인버터의 효율증가 및 소자들의 수명연장을 기대할 수 있으며, 추후 전기자동차분야의 주행 시스템 내에서 제안한 방식을 적용하여 차량 주행 시스템 효율 향상을 기대할 수 있다.