1. 서 론

최근 기후 변화 및 환경 문제를 억제하고자 온실가스 배출량을 저감 하는 탄소중립 기조에 대응하기 위해 교통 분야에서는 전기 자동차, UAM/PAV, 전기선박 등 친환경 이동수단에 대한 관심과 연구가 증가하고 있다. 전기에너지를 기반으로 하는 친환경 이동수단의 추진 시스템에서 배터리의 직류 전압을 추진 전동기에서 요구하는 3상 교류전압으로 변환하는 DC/AC 3상 인버터는 전기 추진 시스템의 효율에 영향을 주는 핵심 부품이다. 차세대 전력반도체로 평가받는 WBG(Wide Band Gap) 계열 전력반도체의 발전으로 전력변환기기의 전력반도체를 기존 Si(Silicon) 계열 전력반도체와 WBG 계열 전력반도체를 비교 및 전환하는 연구가 진행되고 있다^(1,2).

WBG 계열의 전력반도체는 기존 Si 계열의 전력반도체에 비해 우수한 전자이동 특성으로 전력반도체의 빠른 스위칭이 가능하며 스위칭 중에 발생하는 스위칭 손실 또한 적게 나타난다. 또한 낮은 전도저항 특성으로 전력반도체의 도통손실이 낮기 때문에 고효율 동작이 가능한 전력변환기를 제작할 수 있다. WBG 소자의 높은 밴드갭 특성으로 높은 전압과 높은 온도 조건인 혹독한 환경 조건에서도 안정적인 구동이 가능한 장점이 있다^(3,4).

이러한 장점과 WBG 소자 기반 전력반도체의 상용화로 인해 전력변환장치를 활용하는 다양한 산업 분야 및 특히 고성능, 고신뢰성 전력변환기술이 요구되는 전기자동차 추진, UAM 등 친환경 이동수단 분야에서 WBG 계열 소자 중 SiC(Silicon Carbide)

그림. 1. 비교 시험용 인버터

Fig. 1. The inverter for comparative testing

그림. 2. 시험용 모듈 사진 (a)Si-IGBT, (b)SiC-MOSFET

Fig. 2. The test power modules (a) Si-IGBT, (b) SiC-MOSFET

그림. 3. 시험용 모듈 및 게이트 드라이버 장착 사진 (a)Si-IGBT, (b)SiC-MOSFET

Fig. 3. The test module and gate driver installed (a) Si-IGBT, (b) SiC-MOSFET

2. 인버터 시스템 사양

Si-IGBT 및 SiC-MOSFET 전력반도체의 비교 시험을 위한 인버터는 전기자동차 추진을 위한 목적으로 설계된 150kW급 인버터이며 주요 사양은 표 1과 같다. 시험용 인버터는 그림 1과 같으며, 최대 출력 180kW, DC link 전압범위 600~800V, 정격 전류 400Arms의 사양이다. 전동기 위치 신호는 레졸버를 사용하며, 전력반도체에서 발생하는 열을 냉각하기 위해 수냉 방식 시스템으로 구성하였다. DC/AC 전력변환을 위한 토폴로지는 3상 인버터 형태이며, 하프 브릿지 모듈 3개를 장착하여 구성하였다. Si-IGBT 및 SiC-MOSFET 전력반도체 비교 시험을 위한 전력반도체 모듈은 Si-IGBT(FF600R12ME4, Infineon), SiC-MOSFET (BSM600D12P3G001, Rohm)을 채택하였다. 비교시험용 전력반도체에 대한 사양과 사진은 그림 2와 표 2와 같으며, 전체 인버터 시스템에서 전력모듈과 게이트 드라이버만 교체하여 시험 할 수 있도록, 1200V/600A 사양과 동일한 패키지 모듈을 선택하였다. 표 2의 주요 파라미터는 각 모듈의 데이터 시트를 기반으로 표현하였으며, 전력반도체의 정션온도 25℃ 기준으로 나타낸다. 전력반도체 모듈 타입은 하프 브릿지 타입이며, SiC-MOSFET 모듈의 경우 역병렬 다이오드 또한 SiC 다이오드가 장착된 모듈이다. 비교 시험용 전력 모듈의 주요한 차이점은 SiC-MOSFET의 경우 Si-IGBT 대비 낮은 Turn-on, Turn- off 스위칭 손실과 다이오드 역회복 특성으로 인한 손실이 매우 적다는 것이다. 이러한 특성으로 인해 3상 인버터의 스위칭으로 발생하는 인버터 손실이 Si-IGBT에 비해 SiC-MOSFET에서 더 적게 나타난다. 그림 3은 게이트 드라이버가 장착된 각 전력모듈의 사진이며, 각 전력 모듈의 구동을 위한 게이트 드라이버 회로의 주요 회로는 Si-IGBT 경우 게이트 전원을 +15V/- 15V로 설정하였으며, 게이트 저항은 0.5Ω/0.5Ω (on/off)로 설정하였다. SiC-MOSFET의 경우 게이트 전원은 +18V/-2.5V로 설정하였으며, 게이트 저항은 1.5Ω/1Ω (on/off)로 설정하였다.

그림. 4. 인버터 주요 파형 및 인버터 손실 발생 구간

Fig. 4. The inverter loss occurrence section

3. 인버터 손실 요인

Si-IGBT와 SiC-MOSFET 전력반도체의 차이로 인해 발생하는 인버터 손실에 대해 파악하기 위해서는 인버터 손실의 주요 요인을 확인 할 필요가 있다. 인버터 손실에 대한 분석은 많은 선행 연구가 수행 되었다^(5-11). 본 논문에서는 간략한 손실 요인에 대해 분석한다. 그림 4와 같이 인버터에서 발생하는 손실은 크게 전력반도체의 도통시 전류와 도통저항으로 인해 발생하는 도통 손실과 전력반도체의 스위칭으로 인해 발생하는 스위칭 손실이 있다.

3.1 인버터 도통 손실

인버터의 도통손실은 그림 4의 중간 부분처럼 전력반도체가 Turn-on 되어있는 구간에서 전류가 흐르면서 도통저항에서 발생하는 손실이며, 주요 요인은 도통 저항, 전류, 인버터의 Duty-Cycle, 전력반도체 정션 온도이다. 이를 반영한 스위치 및 다이오드의 도통 손실 수식은 아래와 같다.

(1)

$P_{c,\:T}=\dfrac{1}{2\pi}\int_{0}^{2\pi}D(\alpha)(R_{on}i_{T}^{2}(\alpha)+V_{CE0}i_{T}(\alpha))d\alpha$

(2)

$P_{c,\:D}=\dfrac{1}{2\pi}\int_{0}^{2\pi}D(\alpha)(R_{d}i_{d}^{2}(\alpha)+V_{d}i_{d}(\alpha))d\alpha$

여기서 $R_{on}$, $R_{d}$ 는 각각 스위치와 다이오드의 도통저항을 나타내며, $V_{CE0}$,$V_{d}$는 스위치와 다이오드의 문턱전압을 의미한다. $\alpha =\dfrac{2\pi}{T}t$ 이며, $T$ 는 기본파의 주기를 의미 한다. D는 Duty-Cycle을 의미하며, SVPWM 구동 시 Duty-Cycle은 아래와 같이 표현 할 수 있다⁽¹⁰⁾.

(3)

$D(\alpha)=\dfrac{1}{2}(1+M\sin(\alpha)+\dfrac{1}{6}M\sin(3\alpha))$

여기서 $M$은 인버터의 전압 변조 지수를 의미한다.

그림. 5. 인버터 시험환경

Fig. 5. The inverter test environment

그림. 6. 시험용 전동기 TN 곡선

Fig. 6. The test motor TN curve

그림. 7. 시험용 인버터 효율맵 (a)Si-IGBT, (b)SiC-MOSFET

Fig. 7. The test inverter efficiency map (a) Si-IGBT, (b) SiC-MOSFET

3.2 인버터 스위칭 손실

인버터의 스위칭 손실은 전력반도체의 Turn-on/off 상태 변화시 스위치의 과도 전압과 과도 전류로 인해 발생하는 손실이다. 스위칭 손실은 전력반도체의 데이터 시트에서 제공하는 한 펄스당 Turn-on/off 시 스위치에서 발생하는 에너지 손실인 $E_{on}$, $E_{off}$와 다이오드의 역회복 특성으로 나타나는 $E_{rr}$을 통해 아래와 같이 표현할 수 있다.

(4)

$P_{sw}=f_{sw}(E_{on}+E_{off}+E_{rr})$

여기서 $f_{sw}$ 는 인버터의 스위칭 주파수를 의미한다.

그림. 8. Si-IGBT, SiC-MOSFET 인버터 손실 차이

Fig. 8. The Si-IGBT, SiC-MOSFET inverter loss difference

4. 실험 결과

본 논문에서 분석하고자 하는 Si-IGBT와 SiC-MOSFET를 적용한 인버터의 효율을 비교하는 시험은 그림 5와 같이 시험환경이 구성되어 있다. 인버터 시험환경은 다이나모미터에 시험용 전동기를 연결하여 시험용 전동기를 토크제어하는 상황에서 다이나모미터를 속도제어를 하여 인버터의 부하를 조정하였으며, 인버터의 입출력 전력 및 효율을 측정하기 위해 전력분석계 및 전류센서를 활용하였다. 그림 6은 시험용 전동기의 TN 곡선을 나타낸다. 시험용 전동기의 최대 출력 토크는 240Nm이며, 전동기 최대속도는 10000rpm, 전동기 최대 출력은 150kW이다. 인버터의 효율 측정은 인버터 스위칭 주파수 9kHz에서 측정하였으며, 전동기 속도와 토크의 범위는 1000rpm 단위로 1000~ 10000rpm 까지의 전동기 속도 범위와 20Nm 단위로 20~240Nm 까지의 전동기 토크 범위에서 측정을 수행하였다. 그림 7은 시험용 인버터 효율 측정 데이터를 기반으로 나타낸 효율맵이며, 그림 7(a)는 Si-IGBT 인버터의 전 영역 효율맵을 나타내며, 그림 7(b)은 SiC-MOSFET 인버터의 전 영역 효율맵을 나타낸다. 각 인버터의 최대 효율 및 전 구간 평균 효율은 Si-IGBT 인버터의 경우 10000rpm, 40Nm 운전점에서 최대 효율 98.34%로 측정되며 전 구간 평균 효율은 94.89%로 측정되었다. SiC-MOSFET 인버터의 경우 10000rpm, 80Nm에서 최대효율 98.88% 이며, 전 구간 평균 효율은 96.48%로 측정되었다. 두 인버터의 최대 효율의 차이는 약 0.5% 정도로 그리 크지 않지만, 전 영역에서 SiC-MOFSET 인버터의 효율이 높게 나타났으며, 전 구간 평균 기준 1.6%의 효율 차이를 나타낸다.

그림. 9. WLTP 주행 사이클 반영 주요 데이터

Fig. 9. The data reflecting WLTP driving cycle

5. 주행사이클 분석

본 절에서는 앞서 수행한 비교 시험을 통해 도출한 Si-IGBT 인버터 및 SiC-MOSFET 인버터의 효율 데이터를 기반으로 국제적으로 활용되는 자동차 주행사이클 표준인 WLTP 주행 사이클에 대입하여 전력반도체 모듈 교체에 대한 영향을 분석한다. 주행 사이클 분석을 위한 대상 차종은 시험용 전동기의 최대 출력과 유사한 2023 Kia Niro EV 차량으로 선정하였으며 주행 사이클 분석을 위한 차량 파라미터는 표 3과 같으며, 주행 사이클의 속도 프로파일로부터 전동기 운전점에 대한 포인트를 도출하기 위한 차량 다이나믹스는 아래의 수식을 적용하여 도출하였다.

그림. 10. 인버터 손실에너지 및 전비 비교

Fig. 10. The Comparison of inverter loss energy and energy efficiency

그림 10은 WLTP 주행 사이클을 반영한 Si-IGBT 및 SiC-MOSFET 인버터의 인버터 손실에너지 및 연비 그래프를 나타낸다. 인버터의 손실에너지는 순시로 발생하는 인버터의 손실을 시간에 따라 적분하여 도출하였으며, 전비는 WLTP 주행 사이클의 주행 거리와 최종 소모에너지값을 기준으로 산출하였다. 최종적으로 Si-IGBT에서 SiC-MOSFET로 전력반도체 전환하였을 때 인버터의 에너지 손실은 약 26.3% 저감 할 수 있으며, 소모에너지 대비 운전 거리인 전비는 약 3% 개선 할 수 있는 것을 확인하였다.

6. 결 론

최근 고전압 동작, 고주파 동작, 고온 동작이 가능한 고성능의 WBG 전력반도체의 상용화로 인해 기존 Si 계열의 전력반도체를 WBG 계열의 전력반도체로 전환하는 사례가 증가 하고 있다. 하지만 가격적으로 이점이 있는 Si 계열의 전력반도체에서 고성능이지만 비용이 높은 WBG 계열의 전력반도체로 전환하기 위해서는 전력반도체의 전환으로 인해 얻을 수 있는 시스템 개선량에 대해 정량적으로 평가할 필요가 있다. 본 논문은 Si-IGBT와 SiC-MOSFET을 적용한 전기 자동차 구동용 인버터에 대한 비교 시험과 WLTP 주행사이클을 반영한 효율/손실 분석을 수행하였다. 전력 반도체의 전환으로 인한 영향만을 분석하기 위해서 동일 사양, 동일 패키지의 전력반도체 모듈을 선정하였으며, 전력반도체 모듈과 게이트 구동부만을 교체하여 인버터 효율 비교 시험을 각각 수행하였다. 두 인버터에 대해 전 동작 구간에 대한 효율을 측정하였으며, 효율 측정 및 비교 결과 Si-IGBT 인버터 대비 SiC-MOSFET 인버터의 전 구간 평균 효율은 1.6% 높게 측정되었다. 인버터의 효율 측정 데이터를 WLTP 주행 사이클에 대입하여 인버터의 손실 에너지와 전비에 대한 비교를 수행하였으며, 비교 결과 Si-IGBT에서 SiC- MOSFET로 전력반도체를 전환 하였을 때 인버터 손실 에너지는 26.3% 저감되며, 소모에너지 대비 운전거리인 전비는 약 3% 개선되는 것을 확인하였다.