1. 서 론

반도체 기술의 발달로 전력 전자 소자의 용량이 점점 증가하였고, 오늘날 IGBT(insulated gate bipolar transistor)는 6.5kV/ 0.6kA 또는 1.7kV/3.6kA의 용량까지 도달 하였다⁽¹⁾. 하지만 전력 전자 소자의 용량이 증가함에 따라, 전력 밀도가 높아지게 되어 파워 컨버터에서의 열 관련 고장 빈도가 이전보다 잦아졌다⁽²⁾. 전자 소자는 작동 온도에서 10˚ C 상승할 때마다 고장률이 두 배 증가한다고 알려져 있다⁽³⁾. 따라서 전자 소자의 온도를 최적의 온도로 운용하기 위해서 냉각 기술이 사용된다⁽⁴⁾. 냉각 기술은 공랭식과 수랭식으로 크게 2가지가 존재하는데, 낮은 비용과 크기가 작다는 장점 때문에 공랭식이 오늘날의 파워 컨버터에 널리 사용되고 있다⁽⁵⁾. 공랭 시스템은 TIM(Thermal Interface Material), 알루미늄 방열판, 그리고 냉각 팬으로 구성되어 있다.

그림 1은 IGBT모듈과 공랭 시스템의 단면을 보여준다. TIM(Thermal Interface Material)은 IGBT의 base plate와 방열판 사이에 도포되어 열저항을 낮춰주고, 방열 효과를 극대화하는 역할을 한다. 방열판과 냉각 팬은 IGBT에서 발생한 열을 효율적으로 공기로 전달하는 데 사용된다. 이러한 공랭 시스템은 IGBT의 온도를 최적의 수준으로 유지하고, 안정적인 작동에 있어서 중요한 역할을 하는 데 사용된다. 일반적으로 IGBT모듈은 열 팽창계수가 각기 다른 재료로 구성된 다층 구조이다⁽¹¹⁾. 따라서 반복적인 외부 환경과 부하의 변화는 열역학적 응력을 발생시킨다⁽¹²⁾. 그 결과로 IGBT의 chip solder, substrate solder에 균열이 일어나고, TIM에는 박리현상이 나타난다⁽¹³⁾,⁽¹⁴⁾. 또한 공랭시스템의 냉각 팬은 부적절한 설계 또는 장기간 운용으로 인해 손상되기 쉽다. 결과적으로 IGBT모듈과 공랭시스템의 신뢰성 향상이 필수적이며, 이를 위한 모니터링을 하는 것이 효과적인 수단임을 알 수 있다⁽⁶⁾.

IGBT를 모니터링하기 위해 많은 방법이 제안되었다. IGBT를 모니터링하는 방법은 오프라인 접근법과 온라인 접근법, 2가지로 나눌 수 있다. 오프라인 접근법의 대표적인 방법은 IGBT의 정션 온도의 냉각 곡선을 활용하여 cauer network의 열임피던스를 구하는 방법이다⁽⁷⁾. 여기서 IGBT의 정션 온도의 냉각 곡선은 IGBT가 정지되었을 때의 정션의 온도를 뜻한다. 따라서 장치의 운용 중에 정지가 가능한 애플리케이션에서만 사용할 수 있다는 단점이 존재한다. 그에 반해 온라인 접근법은 오프라인 접근법과 달리 장치를 정지하지 않아도 되므로 장치의 동작을 방해하지 않는다는 것이 장점이다^(8-10). 하지만 해당 접근법은 IGBT모듈이 노화되는 과정에서 일어나는 변화들을 계속해서 업데이트를 해줘야 하며, 그림 1과 같은 다층 구조에서 여러 층을 한번에 모니터링 할 수 없다는 단점이 존재한다.

공랭 시스템을 모니터링하는 방법은 고유진동수를 확인하거나 열확산율, 진동의 진폭, Fan의 회전 속도의 변화를 통해 모니터링할 수 있다⁽¹⁵⁾. 하지만 해당 방법들은 IGBT모듈이 노화되지 않는 이상적인 상황에서의 모니터링 방법들이다. 따라서 IGBT 모니터링과 별개로 추가적인 공랭시스템 모니터링 방법을 써야 하는 번거로움이 있으며, 두 가지 모니터링이 독립적으로 작용하는 한계점이 존재한다.

위와 같은 단점들을 극복하고자 본 논문은 방열판의 온도를 활용하여 IGBT모듈과 공랭 시스템의 노화를 한 번에 모니터링하는 방법을 제안한다. 이 방법에는 두 가지 장점이 있다. 첫째, 해당 방법을 실현하기 위해서 기존 구동되고 있는 장치의 방열판에 온도 센서만 부착하면 되므로 추가 설비의 비용이 낮고 복잡하지 않아, 유지보수가 간단 하다는 점이다. 둘째, IGBT와 공랭 시스템 모두 방열판 온도의 변화와 관련이 있기 때문에 IGBT와 공랭 시스템을 한 번에 감시할 수 있다는 점이다.

2. 방열판의 온도와 컬렉터 전류의 관계

IGBT의 정션 온도를 계산하는 식은 (1)로 정의된다.

여기서 $T_{j}$는 IGBT 정션의 온도, $R_{\Theta JH}$는 IGBT 정션부터 방열판까지 열저항, $P_{L}$는 IGBT의 전력손실, $T_{h}$는 방열판의 온도이다. 식(1)의 $P_{L}$은 (2)로 정의된다.

$P_{L}$은 스위칭손실($P_{SW}$)과 전도손실($P_{Cond}$)의 합이고, $P_{SW}$와 $P_{Cond}$은 식(3), (4)로 정의된다.

여기서 $E_{ON}$은 턴온 에너지 손실, $E_{OFF}$는 턴오프 에너지 손실, $f_{SW}$는 스위칭 주파수이고, $V_{CE(ON)}$은 컬렉터 이미터 온 전압, $I_{C}$는 컬렉터 전류이다.

그림 2~4는 infineon사의 IGBT모듈, FZ1200R45HL3의 Datasheet 그래프이다. 따라서 식(5)~(7)을 만족함을 알 수 있다.

$T_{j}$는 $P_{L}$에 비례한다⁽¹⁶⁾. 따라서 식(2)에서 $f_{SW}$가 일정할 경우, 식(8)을 만족한다.

IGBT모듈과 공랭시스템이 모두 정상일 경우, IGBT의 정션에서 발생한 열은 그림 1과 같이 모두 하단부로 이동하여 방열판으로 이동하므로 식(9)를 만족한다.

결과적으로 $f_{SW}$가 일정하고 IGBT모듈과 공랭시스템이 모두 정상일 경우, $T_{h}$와 $I_{C}$는 비례한다.

$T_{h}$와 $I_{C}$가 비례함을 관찰하기 위해 Mathworks사의 Simscape 프로그램을 사용하여 시뮬레이션을 진행하였고, IGBT는 infineon사의 FZ1200R45HL3를 선정하였다. 그림 5는 시뮬레이션 회로도이고, 표 1은 시뮬레이션 시 사용된 조건이다. 해당 조건은 FZ1200R45HL3의 층별 물성치와 크기, 두께에 대한 값이며, 인가되는 정격 전류, 전압, 스위칭 주파수이다. 표 2는 그림 5의 시뮬레이션에서 일정한 컬렉터 전류($I_{C(const)}$)를 인가했을 때의 방열판의 포화한 온도($T_{h(\max)}$)이다. 시뮬레이션 결과인 표 2를 보게되면 $I_{C(const)}$가 증가함에 따라서 $T_{h(\max)}$또한 증가하므로 $T_{h(\max)}$와 $I_{C(const)}$가 비례함을 알 수 있다. 표 2의 결과값을 2차 다항식으로 근사하면 식(10) 와 같은 관계식을 도출할 수 있으며 그래프는 그림 6과 같다.

따라서 식(10)을 통해 IGBT모듈이 구동되는 동안 인가된 $I_{C(const)}$를 알고있다면 $T_{h(\max)}$를 계산할 수 있다. $T_{h(cal)}$은 식(10)을 통해 계산한 방열판의 포화된 온도이고, $T_{h(mea)}$를 그림 5의 시뮬레이션을 통해 측정한 방열판의 포화된 온도라고 가정하면 $T_{h(cal)}$, $T_{h(mea)}$, 오차율($\epsilon$)은 표 3과 같으며, $\epsilon$를 구한 공식은 식(11)과 같다.

표 3에서 확인할 수 있듯이, $f_{SW}$가 일정하고 일정한 컬렉터 전류($I_{C(const)}$)가 흘렀을 때 IGBT모듈과 공랭시스템이 모두 정상이라면, 오차율($\epsilon$)의 절대값은 2.37[%] 이하이다. IGBT모듈의 End Of Life(EOL)은 열저항 $R_{\Theta}$의 20[%] 상승으로 규정되어 있다. 오차율 $\epsilon$의 절댓값이 전 영역에서 2.37[%]로 20%에 비해 매우 작은 값이므로, 식(10)을 통해 계산한 $T_{h(cal)}$을 IGBT모듈과 공랭시스템의 상태 모니터링 시 기준값으로 사용할 수있다. 이는 다르게 말하면, 식(10)을 통해 계산한 $T_{h(cal)}$과 그림 5의 시뮬레이션을 통해 측정한 $T_{h(mea)}$의 오차율($\epsilon$)의 절댓값이 2.37[%]를 초과할 때, IGBT모듈 및 공랭시스템에 문제가 발생했음을 알 수 있다.

3. 고장 사례 시뮬레이션

식(10)을 통해 계산한 방열판의 포화한 온도($T_{h(cal)}$)와 IGBT모듈 및 공랭시스템에 문제가 발생되었을 때 측정한 방열판의 포화한 온도($T_{h(mea)}$)간의 오차율의 절댓값이 2.37[%]를 초과함을 보여주기 위해, IGBT모듈 및 공랭시스템이 노화됨을 가정하여 시뮬레이션하였다.

4. 결 론

본 논문에서는 IGBT모듈과 공랭시스템의 상태를 동시에 모니터링하는 방법을 제시하였다. 제시한 방법은 방열판의 온도변화와 IGBT 모듈 및 공랭시스템의 노화 사이의 관계에 기초한다. $f_{SW}$가 일정하고 일정한 컬렉터 전류($I_{C(const)}$)가 흘렀을 때 $T_{h}$와 $I_{C}$가 비례함을 활용하여, 식(10)을 도출할 수 있다. 식(10)을 통해 IGBT에 인가된 일정한 컬렉터 전류($I_{C(const)}$)를 알고 있다면 방열판의 포화한 온도($T_{h(\max)}$)를 계산할 수 있다. IGBT모듈과 공랭시스템에 문제가 없다면, 측정한 방열판의 온도($T_{h(mea)}$)와 계산한 방열판의 온도($T_{h(cal)}$)의 오차율의 절댓값은 2.37[%] 이하이다. 오차율에 따라 IGBT모듈 및 공랭시스템에 문제가 생긴다면 측정한 방열판의 온도($T_{h(mea)}$)와 계산한 방열판의 온도($T_{h(cal)}$)의 오차율의 절댓값이 2.37[%]를 초과한다는 것을 의미한다. TIM과 FAN이 노화되었을 때 오차율을 시뮬레이션을 통해 구한 결과, 대부분의 영역에서 오차율의 절댓값이 2.37[%]를 초과함을 확인할 수 있다. 특히 시뮬레이션 시 선정한 IGBT 모듈, FZ1200R45HL3의 컬렉터 전류 정격인 1200[A] 이상의 영역에서 오차율의 절댓값이 2.37[%]를 초과함을 확인하였다. 본 논문에서 보인 시뮬레이션의 타당성을 위해 후속 연구에서는 시뮬레이션 환경과 같은 실제 장치의 실험 데이터를 얻을 예정이다. 또한 IGBT모듈의 노화가 발생되었을 때의 실험 데이터를 위해 다수의 IGBT모듈을 장시간의 스트레스에 노출시켜 IGBT모듈이 노화되었을 때의 오차율에 대한 데이터를 얻을 예정이다.