KR20180129400A - 전력 변환 장치의 설계 방법 - Google Patents

전력 변환 장치의 설계 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치의 설계 방법은, 전력 변환 장치에서 발생하는 전력 손실량을 입력받는 단계, 상기 전력 변환 장치에 포함되는 반도체 모듈을 구성하는 방열 부품의 조합을 선택하는 단계, 선택된 방열 부품의 조합에 따른 냉각 능력치와 상기 전력 손실량 간의 관계가 미리 정해진 제1 조건을 만족하는지 여부를 판단하는 단계, 상기 선택된 방열 부품의 조합을 이용하여 제작된 반도체 모듈을 포함하는 전력 변환 장치 운전 시 상기 반도체 모듈의 예상 정션 온도가 미리 정해진 제2 조건을 만족하는지 여부를 판단하는 단계 및 상기 제1 조건 및 상기 제2 조건을 모두 만족하는 방열 부품의 조합을 상기 전력 변환 장치의 반도체 모듈을 제작하기 위한 방열 부품의 최종 조합으로 결정하는 단계를 포함한다.

Description

전력 변환 장치의 설계 방법{METHOD FOR DESIGNING POWER CONVERSION DEVICE}
본 발명은 전력 변환 장치의 설계 방법에 관한 것이다.
산업의 발달과 생활수준의 향상으로 전력수요가 급격히 증대하고 있다. 이러한 갑작스러운 전력수요 급증에 의해 주간과 야간의 부하격차 및 계절간 또는 평일 및 휴일간의 전력 사용량 격차가 증가됨으로써 부하율은 하락하고 있으며, 급격한 첨두부하 증가로 인하여 전력 예비율은 점차 악화되어 전력 수급에 커다란 문제가 되고 있다. 이와 같은 문제들에 대해 현재 가장 현실성 있는 보완책으로 에너지 저장 장치(Energy Storage System, ESS)와 같은 DC 전원을 이용한 전력 변환 기술이 연구되고 있다.
신재생 에너지를 이용하여 발전된 전력은 계통에 연계하여 계통 안정도 향상이나 공급 신뢰도 향상을 위해 사용되고 있다. 계통 연계형 인버터(Grid-Connected Inverter)는 수용가나 변전소에서 부하 변동으로 인해 주파수 상승 시 유효 전력 충전을 하고, 주파수 하강 시 유효 전력 방전을 하여 주파수 조정을 한다. 또한, 계통 연계형 인버터는 역률 변화 억제, 순간 전압 변동 방지, Active filter로 동작하여 고조파를 제거하는 무효전력 보상 장치와 같은 역할이 가능하다.
계통 연계형 인버터는 분산 전원 시스템에서 계통의 사고 확산 방지와 계통 안정화를 위해 동적 계통 지원과 정적 계통 지원 운전을 한다. 동적 계통 지원은 FRT(Fault Ride Through) 대한 요구사항이며, 정적 계통 지원은 유효/무효 전력에 관한 사항으로 고정된 무효 전력 또는 고정 역률, 계통 전압이나 유효 전력에 종속되어 무효전력을 공급해야 한다.
계통 연계형 인버터 시스템에서는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)와 같은 스위칭 소자를 포함하는 전력 변환 장치, 예컨대 인버터나 컨버터를 사용하여 전력을 변환하며, AC단에 필터를 사용하여 출력 전류 리플을 제거한다.
도 1은 종래 기술에 따른 계통 연계형 인버터 시스템의 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래 기술에 따른 계통 연계형 인버터 시스템은 ESS나 연료 전지와 같은 DC 전원(102)에 저장된 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 계통(106)에 공급하거나, 계통(106)으로부터 공급되는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 DC 전원(102)에 전달하는 전력 변환 장치(110), 예컨대 인버터 또는 컨버터를 포함한다. 이와 같은 계통 연계형 인버터 시스템은 양방향으로 동작하기도 하고, 단방향(DC 전원(102)→계통(106), 또는 계통(106)→DC 전원(102)으로 동작하도록 구성될 수도 있다.
전력 변환 장치(110)는 입출력단의 순시적인 전력 불균형을 해소하는 커패시터(C1, C2) 및 스위칭 동작(턴 온/턴 오프)을 통해서 전력을 변환하는 하나 이상의 스위칭 소자(S1 내지 S6), 스위칭 소자(S1 내지 S6)로부터 출력되는 전류 리플을 제거하는 필터(104)를 포함한다. 제어부(108)는 스위칭 소자(S1 내지 S6) 또는 계통(106)으로부터 출력되는 전류의 크기에 따라서 스위칭 소자(S1 내지 S6)에 스위칭 동작을 위한 스위칭 신호를 인가한다.
도 1에 도시된 바와 같이 전력 변환 장치(110)는 스위칭 소자(S1 내지 S6)의 스위칭 동작을 통해서 전력을 변환한다. 스위칭 소자의 예로서 MOSFET, IGBT, SCR 과 같은 반도체 소자를 들 수 있다. 실제로 전력 변환 장치(110)를 구성할 때, 이러한 스위칭 소자는 모듈 형태로 구현된다.
도 2는 종래 기술에 따른 스위칭 소자를 포함하는 반도체 모듈의 종단면도이다.
도 2를 참조하면, 종래 기술에 따른 반도체 모듈(20)은 베이스 플레이트(206) 및 베이스 플레이트(206) 상에 결합되어 내부 공간을 형성하는 케이스(220)를 포함한다. 베이스 플레이트(206) 상에는 기판(210)이 적층되며, 기판(210)의 상부 및 하부에는 각각 금속판(208)이 배치된다.
기판(210) 상부에 배치된 금속판(208)의 상부에는 스위칭 소자, 즉 IGBT 소자(212) 및 다이오드 소자(214)가 각각 솔더링된다. IGBT 소자(212) 및 다이오드 소자(214)는 와이어(216)를 통해 전기적으로 연결된다. 또한 기판(210) 상부에 배치된 금속판(208)의 상부에는 케이스(220) 외부로 노출되는 버스바 연결부(218)가 각각 솔더링된다.
도 2와 같은 구조를 갖는 반도체 모듈(20)에 포함된 스위칭 소자, 예컨대 IGBT 소자(214)의 스위칭 동작은 많은 열을 발생시킨다. 이러한 반도체 모듈(20) 내부의 열을 방출하기 위하여, 반도체 모듈(20)에는 방열 부품이 장착된다. 예컨대 반도체 모듈(20)의 베이스 플레이트(206) 하부에는 히트 싱크(202)와 같은 방열체가 배치되며, 히트 싱크(202)의 접착 및 열 전달을 위한 열 전달 물질, 예컨대 서멀 그리스(204)가 도포된다. 또한 도면에는 도시되지 않았으나 반도체 모듈(20)의 일측에는 방열을 위한 팬이 장착될 수도 있다.
도 2와 같은 반도체 모듈(20)의 동작 과정에서 발생하는 열은 반도체 모듈(20)의 전력 손실로 이어지며, 반도체 모듈(20)의 고장을 유발하는 원인이 된다. 따라서 전력 변환 장치(110)의 설계 과정에서 전술한 바와 같은 방열 부품, 예컨대 히트 싱크(202), 서멀 그리스(204), 팬의 종류를 적절하게 선정한다면 반도체 모듈(20) 및 전력 변환 장치(110)의 전력 손실을 줄이는 동시에 제품의 신뢰성을 높이고 유지 보수 비용을 절감할 수 있다.
본 발명은 반도체 모듈의 발열로 인한 전력 손실을 줄이는 동시에 제품의 신뢰성을 높이고 유지 보수 비용을 절감할 수 있는 전력 변환 장치의 설계 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치의 설계 방법은, 전력 변환 장치에서 발생하는 전력 손실량을 입력받는 단계, 상기 전력 변환 장치에 포함되는 반도체 모듈을 구성하는 방열 부품의 조합을 선택하는 단계, 선택된 방열 부품의 조합에 따른 냉각 능력치와 상기 전력 손실량 간의 관계가 미리 정해진 제1 조건을 만족하는지 여부를 판단하는 단계, 상기 선택된 방열 부품의 조합을 이용하여 제작된 반도체 모듈을 포함하는 전력 변환 장치 운전 시 상기 반도체 모듈의 예상 정션 온도가 미리 정해진 제2 조건을 만족하는지 여부를 판단하는 단계 및 상기 제1 조건 및 상기 제2 조건을 모두 만족하는 방열 부품의 조합을 상기 전력 변환 장치의 반도체 모듈을 제작하기 위한 방열 부품의 최종 조합으로 결정하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 전력 손실량은 상기 전력 변환 장치의 각 운전 모드에 따른 전력 손실량 중 최대 전력 손실량일 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에서, 상기 방열 부품은 히트 싱크, 팬, 서멀 그리스를 포함할 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에서, 상기 제1 조건은 하기 [수학식 1]에 의해서 설정될 수 있다.
[수학식 1]
k1×PL < CA
(단, k1은 미리 정해진 계수이며 k1≤1, PL은 상기 전력 손실량, CA는 상기 선택된 방열 부품의 조합에 따른 냉각 능력치)
또한 본 발명의 일 실시예에서, 상기 제2 조건은 하기 [수학식 2]에 의해서 설정될 수 있다.
[수학식 2]
k2×TE < T1
(단, k2는 미리 정해진 계수이며 k2≤1, TE는 상기 예상 정션 온도, T1은 미리 정해진 제1 기준온도)
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치의 설계 방법은, 방열 부품의 상기 최종 조합을 이용하여 제작된 반도체 모듈을 포함하는 전력 변환 장치의 운전 시 상기 반도체 모듈의 실제 정션 온도가 미리 정해진 제3 조건을 만족하는지 여부를 판단하는 단계 및 상기 제3 조건이 만족되지 않으면 상기 제1 조건 및 상기 제2 조건을 고려하여 상기 방열 부품의 최종 조합을 다시 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제3 조건은 하기 [수학식 3]에 의해서 설정될 수 있다.
[수학식 3]
k3×TA < T2
(단, k3은 미리 정해진 계수이며 k3≤1, TA는 상기 실제 정션 온도, T2는 미리 정해진 제2 기준온도)
본 발명에 의하면 반도체 모듈의 발열로 인한 전력 손실을 줄이는 동시에 제품의 신뢰성을 높이고 유지 보수 비용을 절감할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 계통 연계형 인버터 시스템의 구성도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 스위칭 소자를 포함하는 반도체 모듈의 종단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치의 설계 장치의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치의 설계 방법의 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력 변환 장치의 설계 방법의 흐름도이다.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치의 설계 장치의 구성도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치의 설계 장치(302)는 메모리(304) 및 프로세서(306)를 포함한다.
메모리(304)는 RAM(Random Access Memory)와 같이 프로세서(306)에 의한 실행을 위한 동적 정보 및 명령어들을 저장하는 동적 저장 디바이스를 포함할 수 있다. 또한 메모리(304)는 ROM(Read Only Memory)과 같이 프로세서(306)에 의한 사용을 위한 정적 정보 및 명령어들을 저장하는 정적 저장 디바이스를 포함할 수 있다. 메모리(304)는 휘발성 메모리 유닛 또는 비휘발성 메모리 유닛일 수 있다. 메모리(304)는 또한 자기 디스크, 광디스크, 하드 디스크와 같은 컴퓨터 판독가능 매체의 또 다른 유형일 수 있다.
프로세서(306)는 임의의 유형의 종래의 프로세서, 마이크로프로세서, 또는 명령어들을 해석하고 실행하는 프로세싱 로직을 포함할 수 있다. 프로세서(306)는 고속 인터페이스에 결합된 디스플레이(미도시)와 같은 외부의 입력/출력 디바이스상에 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)를 위한 그래픽정보를 디스플레이하기 위해 메모리(304) 내에 저장된 명령어들을 실행할 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에서, 다수의 프로세서들이 다수의 메모리들과 함께 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 프로세서(306)는 컴퓨터 실행가능 명령어들을 실행함으로써 또는 프로그래밍 됨으로써 특수 목적 마이크로프로세서로 변형될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 메모리(304)는 이하에서 설명되는 전력 변환 장치의 설계 방법을 구현하기 위한 명령어들 또는 프로그램을 저장할 수 있다. 또한 프로세서(306)는 메모리(304)에 저장된 전력 변환 장치의 설계 방법을 구현하기 위한 명령어들 또는 프로그램을 실행할 수 있다. 프로세서(306)는 명령어들 또는 프로그램의 실행 결과에 따라서 생성되는 데이터를 디스플레이(미도시)를 통해 표시하거나, 통신 모듈(미소디)을 통해서 다른 장치에 전송할 수 있다.
전력 변환 장치(308)는 도 1에 도시된 바와 같은 계통 연계형 인버터 시스템에 포함되는 인버터 또는 컨버터(110)와 같이 스위칭 소자를 포함하는 반도체 모듈로 구성되는 장치이다. 실시예에 따라서 전력 변환 장치(308)는 실제로 현장에 설치된 장치일 수도 있고, 시뮬레이션 프로그램을 통해서 사용자에 의해 설계된 가상의 장치일 수도 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치의 설계 방법의 흐름도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치의 설계 장치(302)는 먼저 전력 변환 장치(308)에서 발생하는 전력 손실량을 입력받는다. 본 발명에서 전력 변환 장치(308)의 전력 손실량은 전력 변환 장치(308)에 포함된 반도체 모듈의 스위칭 소자의 발열에 의해서 손실되는 전력량을 의미한다.
본 발명에서 전력 손실량은 스위칭 소자에 의해서 발생되는 스위칭 손실량과 도통 손실량을 포함한다. 스위칭 손실량은 스위칭 소자가 턴 온 상태에서 턴 오프 상태로 또는 그 반대로 전환되는 구간에서 순간적으로 발생하는 전력 손실을 의미한다. 그리고 도통 손실량은 스위칭 소자가 턴 온되어 스위칭 소자를 통해서 전류가 흐를 때 스위칭 소자의 발열로 인해서 발생되는 전력 손실량을 의미한다.
일반적으로 전력 변환 장치(308)가 단방향 인버터 또는 컨버터로 동작할 때에는 스위칭 손실량이 도통 손실량보다 크게 나타난다. 반대로 전력 변환 장치(308)가 양방향 인버터 또는 컨버터로 동작할 때에는 도통 손실량이 스위칭 손실량보다 크게 나타난다.
본 발명의 일 실시예에서 전력 변환 장치(308)의 전력 손실량은 스위칭 손실량과 도통 손실량 중 어느 하나를 의미할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 전력 변환 장치(308)의 전력 손실량은 스위칭 손실량과 도통 손실량의 합을 의미할 수도 있다.
한편, 전력 변환 장치(308)가 양방향 인버터 또는 컨버터로 동작할 경우, 전력 변환 장치(308)는 두 가지 운전 모드를 갖는다. 예를 들어 도 1에서 전력 변환 장치(110)는 DC 전원(102)에 저장된 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 계통(106)에 공급하는 제1 운전 모드와, 계통(106)으로부터 공급되는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 DC 전원(102)에 전달하는 제2 운전 모드로 동작할 수 있다.
도 4의 단계(402)에서, 설계 장치(302)는 전력 변환 장치(308)의 각 운전 모드에 따른 전력 손실량을 입력받을 수 있다. 설계 장치(302)는 각 운전 모드에 따른 전력 손실량 중 최대 전력 손실량을 전력 변환 장치(308)의 전력 손실량으로 결정할 수 있다. 실시예에 따라서는 다른 기준에 따라서 각 운전 모드에 따른 전력 손실량 중 어느 하나를 전력 변환 장치(308)의 전력 손실량으로 결정할 수 있다.
다음으로, 설계 장치(302)는 전력 변환 장치에 포함되는 반도체 모듈을 구성하는 방열 부품의 조합을 선택한다(404). 본 발명의 일 실시예에서, 전력 변환 장치(308)에 포함되는 반도체 모듈에 사용되는 방열 부품, 예컨대 히트 싱크, 서멀 그리스, 팬의 종류 및 각각의 종류에 따른 냉각 능력치에 대한 정보가 제공될 수 있다. 이와 같은 방열 부품의 종류 및 냉각 능력치에 대한 정보는 메모리(304) 또는 다른 외부 저장 매체에 저장될 수 있다.
설계 장치(302)는 미리 저장된 방열 부품의 종류 및 냉각 능력치에 대한 정보를 참조하여 전력 변환 장치에 포함되는 반도체 모듈의 방열 부품의 조합을 생성하고, 생성된 조합 중 일정 기준을 만족하는 조합을 선택할 수 있다. 이와 같이 방열 부품의 조합이 선택되면, 각각의 부품의 냉각 능력치에 의해서 선택된 방열 부품의 조합에 따른 냉각 능력치가 결정될 수 있다. 예컨대 선택된 방열 부품의 조합에 따른 냉각 능력치는 선택된 각 부품의 냉각 능력치의 합으로 결정되거나, 미리 저장된 각 조합 별 냉각 능력치를 참조하여 결정될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 방열 부품은 히트 싱크, 서멀 그리스, 팬을 포함하나, 방열 부품의 종류 및 개수는 실시예에 따라서 달라질 수 있다.
다음으로, 설계 장치(302)는 선택된 방열 부품의 조합에 따른 냉각 능력치와 상기 전력 손실량 간의 관계가 미리 정해진 제1 조건을 만족하는지 여부를 판단한다(406). 본 발명의 일 실시예에서, 제1 조건은 하기 [수학식 1]에 의해서 설정될 수 있다.
[수학식 1]
k1×PL < CA
[수학식 1]에서, k1은 미리 정해진 계수이며 k1≤1이다. 또한 PL은 단계(402)를 통해 입력된 전력 손실량을 의미하며, CA는 단계(404)에서 선택된 방열 부품의 조합에 따른 냉각 능력치를 의미한다.
다음으로, 설계 장치(302)는 선택된 방열 부품의 조합을 이용하여 제작된 반도체 모듈을 포함하는 전력 변환 장치의 운전 시 반도체 모듈의 예상 정션 온도가 미리 정해진 제2 조건을 만족하는지 여부를 판단한다(408). 반도체 모듈의 예상 정션 온도를 측정하기 위하여, 시뮬레이션 프로그램을 통해서 단계(404)에서 선택된 방열 부품의 조합을 이용하여 제작된 반도체 모듈을 포함하는 전력 변환 장치에 대한 열 해석 시뮬레이션이 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 제2 조건은 하기 [수학식 2]에 의해서 설정될 수 있다.
[수학식 2]
k2×TE < T1
[수학식 2]에서, k2는 미리 정해진 계수이며 k2≤1이다. 또한 TE는 시뮬레이션 프로그램을 통해서 측정되는 반도체 모듈의 예상 정션 온도를 나타내고, T1은 미리 정해진 제1 기준온도를 나타낸다.
다음으로, 설계 장치(302)는 제1 조건 및 제2 조건을 모두 만족하는 방열 부품의 조합을 전력 변환 장치(308)의 반도체 모듈을 제작하기 위한 방열 부품의 최종 조합으로 결정한다(410). 만약 제1 조건이나 제2 조건 중 어느 하나의 조건이 만족되지 않으면, 단계(404)를 통해서 방열 부품의 다른 조합이 선택되고 선택된 다른 조합에 대하여 단계(406) 및 단계(408)이 수행될 수 있다.
이와 같이 결정된 방열 부품의 최종 조합을 참조하여 전력 변환 장치(308)를 위한 반도체 모듈이 제작될 수 있다.
한편, 도 4에는 도시되지 않았으나 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치의 설계 방법은 단계(410)에 의해서 결정된 방열 부품의 최종 조합을 이용하여 제작된 반도체 모듈을 포함하는 전력 변환 장치의 운전 시 반도체 모듈의 실제 정션 온도가 미리 정해진 제3 조건을 만족하는지 여부를 판단하는 단계와, 제3 조건이 만족되지 않으면 제1 조건 및 상기 제2 조건을 고려하여 방열 부품의 최종 조합을 다시 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 제3 조건은 하기 [수학식 3]에 의해서 설정될 수 있다.
[수학식 3]
k3×TA < T2
[수학식 3]에서, k3은 미리 정해진 계수이며 k3≤1이다. 또한 TA는 단계(410)에 의해서 결정된 방열 부품의 최종 조합을 이용하여 제작된 반도체 모듈을 포함하는 전력 변환 장치의 운전 시 측정되는 반도체 모듈의 실제 정션 온도를 나타내며, T2는 미리 정해진 제2 기준온도를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력 변환 장치의 설계 방법의 흐름도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 장치의 설계 장치(302)는 먼저 전력 변환 장치(308)의 전력 손실량을 입력받는다(502). 이 때 전력 변환 장치(308)는 실제로 제작되거나 운전되고 있는 장치일 수도 있고, 사용자가 시뮬레이션 프로그램을 통해서 설계한 가상의 장치일 수도 있다. 설계 장치(302)는 실제 운전 과정에서 측정되거나 시뮬레이션 과정에서 측정된 전력 변환 장치(308)의 전력 손실량을 입력받을 수 있다.
다음으로, 설계 장치(302)는 전력 변환 장치(308)에 포함되는 반도체 모듈에 사용될 방열 부품의 조합을 선택한다(504). 설계 장치(302)는 미리 정해진 조합 중 임의의 조합을 선택할 수도 있고, 사용자에 의해서 방열 부품의 임의의 조합이 선택될 수도 있다.
다음으로, 설계 장치(302)는 단계(504)에서 선택된 방열 부품의 조합에 의한 방열 부품의 냉각 능력치와 전력 변환 장치(308)의 전력 손실량 간의 관계가 미리 정해진 제1 조건을 만족하는지 여부를 판단한다(506). 여기서 제1 조건은 전술한 [수학식 1]과 같이 설정될 수 있다.
예를 들어 단계(506)에서 설계 장치(302)는 단계(504)에서 선택된 방열 부품의 조합에 의한 방열 부품의 냉각 능력치(TA)를 전력 변환 장치(308)의 전력 손실량의 80%에 해당하는 값, 즉 0.8×PL과 비교한다. 비교 결과 제1 조건이 만족되지 않으면 설계 장치(302)는 단계(504)로 복귀하여 방열 부품의 다른 조합을 선택한다.
단계(506)의 비교 결과 제1 조건이 만족되면, 시뮬레이션 프로그램을 통해서 선택된 방열 부품의 조합을 이용하여 제작된 반도체 모듈을 포함하는 전력 변환 장치에 대한 열 해석 시뮬레이션이 수행된다(508). 설계 장치(302)는 단계(508)의 시뮬레이션을 통해서 측정되는 반도체 모듈의 예상 정션 온도가 미리 정해진 제2 조건을 만족하는지 여부를 판단한다(510). 여기서 제2 조건은 전술한 [수학식 2]와 같이 설정될 수 있다.
예를 들어 단계(510)에서 설계 장치(302)는 단계(508)의 시뮬레이션을 통해서 측정되는 반도체 모듈의 예상 정션 온도(TE)의 85%에 해당하는 값, 즉 0.85×TE를 미리 정해진 제1 기준온도(T1)와 비교한다. 비교 결과 제2 조건이 만족되지 않으면 설계 장치(302)는 단계(504)로 복귀하여 방열 부품의 다른 조합을 선택한다.
단계(506)의 비교 결과 제2 조건이 만족되면, 설계 장치(302)는 단계(504)를 통해서 선택된 방열 부품의 조합을 전력 변환 장치(308)의 반도체 모듈을 제작하기 위한 방열 부품의 최종 조합으로 결정한다. 이러한 최종 조합에 따른 방열 부품을 이용하여 스위칭 소자를 포함하는 반도체 모듈 및 전력 변환 장치가 설계 및 제작될 수 있다(512).
다음으로, 단계(512)를 통해서 제작된 전력 변환 장치가 운전된다(514). 설계 장치(302)는 단계(514)에서 실제로 전력 변환 장치를 운전하는 과정에서 측정되는 반도체 모듈의 실제 정션 온도를 입력받고, 입력된 실제 정션 온도가 제3 기준을 만족하는지 여부를 판단한다(516).
예를 들어 설계 장치(302)는 반도체 모듈의 실제 정션 온도(TA)의 90%에 해당하는 값, 즉 0.9×TA를 미리 정해진 제2 기준온도(T2)와 비교한다. 비교 결과 제3 조건이 만족되지 않으면 설계 장치(302)는 단계(504) 내지 단계(510)을 다시 수행하여 방열 부품의 조합을 다시 결정한다.
전술한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.

Claims (7)

  1. 전력 변환 장치에서 발생하는 전력 손실량을 입력받는 단계;
    상기 전력 변환 장치에 포함되는 반도체 모듈을 구성하는 방열 부품의 조합을 선택하는 단계;
    선택된 방열 부품의 조합에 따른 냉각 능력치와 상기 전력 손실량 간의 관계가 미리 정해진 제1 조건을 만족하는지 여부를 판단하는 단계;
    상기 선택된 방열 부품의 조합을 이용하여 제작된 반도체 모듈을 포함하는 전력 변환 장치의 운전 시 상기 반도체 모듈의 예상 정션 온도가 미리 정해진 제2 조건을 만족하는지 여부를 판단하는 단계; 및
    상기 제1 조건 및 상기 제2 조건을 모두 만족하는 방열 부품의 조합을 상기 전력 변환 장치의 반도체 모듈을 제작하기 위한 방열 부품의 최종 조합으로 결정하는 단계를 포함하는
    전력 변환 장치의 설계 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전력 손실량은
    상기 전력 변환 장치의 각 운전 모드에 따른 전력 손실량 중 최대 전력 손실량인
    전력 변환 장치의 설계 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 방열 부품은
    히트 싱크, 팬, 서멀 그리스를 포함하는
    전력 변환 장치의 설계 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 조건은 하기 [수학식 1]에 의해서 설정되는
    전력 변환 장치의 설계 방법.

    [수학식 1]
    k1×PL < CA
    (단, k1은 미리 정해진 계수이며 k1≤1, PL은 상기 전력 손실량, CA는 상기 선택된 방열 부품의 조합에 따른 냉각 능력치)
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 조건은 하기 [수학식 2]에 의해서 설정되는
    전력 변환 장치의 설계 방법.

    [수학식 2]
    k2×TE < T1
    (단, k2는 미리 정해진 계수이며 k2≤1, TE는 상기 예상 정션 온도, T1은 미리 정해진 제1 기준온도)
  6. 제1항에 있어서,
    방열 부품의 상기 최종 조합을 이용하여 제작된 반도체 모듈을 포함하는 전력 변환 장치의 운전 시 상기 반도체 모듈의 실제 정션 온도가 미리 정해진 제3 조건을 만족하는지 여부를 판단하는 단계; 및
    상기 제3 조건이 만족되지 않으면 상기 제1 조건 및 상기 제2 조건을 고려하여 상기 방열 부품의 최종 조합을 다시 결정하는 단계를 더 포함하는
    전력 변환 장치의 설계 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제3 조건은 하기 [수학식 3]에 의해서 설정되는
    전력 변환 장치의 설계 방법.

    [수학식 3]
    k3×TA < T2
    (단, k3은 미리 정해진 계수이며 k3≤1, TA는 상기 실제 정션 온도, T2는 미리 정해진 제2 기준온도)
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20190038035A (ko) * 2017-09-29 2019-04-08 주식회사 퍼틀 수배전반용 부스바 설계 장치, 방법 및 컴퓨터 프로그램

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