Wolfspeed 파워 모듈이 3상 산업용 저전압 모터 드라이브를 혁신하는 방법

가장 보수적인 추정치에 따르면, 전동기는 전 세계 산업 전기 사용량의 50% 이상을 차지하며, 전 세계 전기 사용량의 45%를 차지합니다. 산업용 모터 드라이브 시스템의 효율성을 조금이라도 향상시키는 것은 전 세계 에너지 소비에 큰 영향을 미치고 환경 영향을 줄일 수 있습니다. 에너지 소비를 전 세계적으로 해결하기 위해 점점 더 엄격한 효율성 기준이 등장하고 있으며, 이는 전력 전자 설계자들에게 새로운 도전과제를 제시합니다.

Wolfspeed 실리콘 카바이드는 산업용 모터 드라이브의 효율성을 향상시키는 탁월한 솔루션을 제공합니다. 전통적인 IGBT를 실리콘 카바이드로 교체하는 것만으로도 효율성을 2.4% 이상 향상시킬 수 있습니다. 또한, 실리콘 카바이드를 활용한 추가적인 재설계는 드라이브와 모터의 통합을 가능하게 하여 더 작고 가벼운 임베디드 산업용 드라이브를 만들 수 있습니다.

이 기사에서는 Wolfspeed의 WolfPACK™ 전력 모듈이 25kW 삼상 산업용 저전압 모터 드라이브의 손실을 최대 50%까지 감소시키고, 더 작고 가벼우며 열적으로 안정적인 임베디드 드라이브를 지원하는 방법을 살펴봅니다.

SiC로 더 작은 히트 싱크로 높은 효율성을 달성하세요

일반적인 모터 드라이브 시스템은 AC-DC(능동 프런트 엔드) 단계와 DC-AC(인버터) 단계를 포함합니다. 45kHz로 스위칭하는 6스위치 액티브 프런트 엔드(AFE)가 있는 25kW 모터 드라이브 시스템에서, 디자이너들은 20kHz로 스위칭하는 실리콘을 기준으로 프런트 엔드 단계에서 1.3%의 효율 향상을 실현할 수 있습니다. 유사한 효율 향상은 Wolfspeed의 30A 정격 전력 모듈을 8kHz에서 스위칭하는 100A 정격 Si-IGBT 모듈과 보수적으로 비교했을 때 인버터에서도 얻을 수 있습니다. 이 두 변경 사항을 합치면 효율이 2.6% 개선되고 시스템 전반에서 손실이 50% 감소하며, 기존 시스템이 IE3 효율 기준을 갖고 있었다면 통합된 모터는 IE4 효율 표준을 달성할 수 있습니다.
실리콘 카바이드를 사용하여 인버터에서 이루어질 수 있는 가장 주목할 만한 개선 중 하나는 시스템에서 발생하는 열을 크게 줄이는 것입니다. 이는 디자이너들이 더 작은 방열판을 사용하고 전체적으로 더 작고 가벼운 산업용 모터 드라이브 시스템을 설계할 수 있도록 합니다.

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

위의 그래프는 Wolfspeed의 실리콘 카바이드 six-pack WolfPACK™ 모듈을 0.8L 히트싱크를 사용하는 25kW 인버터에서 전통적인 실리콘 IGBT 모듈과 비교하여 효율성이 개선된 것을 보여줍니다. 전력 수준이 증가함에 따라 정격 50A 및 100A 실리콘 IGBT의 접합 온도가 상승하여 실패하게 되는 반면, Wolfspeed의 정격 32A 실리콘 카바이드 MOSFET은 안정적으로 동작하며 실패 한계치를 훨씬 아래로 유지합니다.

위의 효율성 개선은 최대 부하에서뿐만 아니라 부분 부하에서도 이루어진다는 점이 중요합니다. 일부 부분 부하에서는 효율성 개선이 더욱 높아져 이러한 기계의 일반적인 부하 프로파일에 이상적으로 적합합니다. 또한, 테스트된 실리콘 카바이드 소자는 최대 부하에서 접합 온도가 105°C인 더 낮은 전류 등급 부품으로, 허용 시스템 한계를 극대화하기 위한 상당한 버퍼를 생성합니다. 반면, 50A IGBT 모듈은 한계를 크게 초과하고, 100A IGBT는 최대 부하에서 약간 초과합니다. 여기서 "한계"는 150°C로 정의되며 이러한 시스템에서 전력 모듈에 대한 최대 허용 접합 온도에 대한 일반적인 시스템 요구 사항을 기반으로 합니다.

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

실행 가능하고 작동하며 최적화된 시스템을 보장하기 위해, IGBT 히트 싱크 크기를 0.8 L에서 1.37 L로 증가시키며 다른 히트 싱크를 사용하고, 실리콘 카바이드 히트 싱크를 61% 축소하여 접합 온도가 증가하고 버퍼를 감소하도록 했습니다. 이 결과, IGBT와 비교하여 실리콘 카바이드 솔루션의 히트 싱크 크기가 77% 작아졌습니다. 이러한 수정에도 불구하고 50 A IGBT는 여전히 150°C 온도 한계를 크게 초과하지만, 32 A 부품과 100 A IGBT는 약 129°C의 동일 접합 온도에 도달합니다. 또한 주목할 점으로는 실리콘 카바이드 인버터의 효율이 1.1% 증가한다는 것입니다. 요약하자면, 3상 전원을 사용하는 25 kW 시스템에서 실리콘 카바이드를 사용하여 축소되고 더 최적화된 히트 싱크를 적용함으로써 전체적으로 효율이 2.4% 개선되고 손실은 600 W 감소하며, 초기에는 IE3였던 통합 모터에서 IE4 효율 표준을 여전히 달성할 수 있습니다.

추가 비용 없이 시스템 전체 손실을 최대 50%까지 줄이세요

실리콘 카바이드는 산업용 저전압 모터 드라이브에서 시스템 수준에서 엄청난 가치를 제공합니다. 실리콘 카바이드 디바이스의 초기 비용이 기존 실리콘 IGBT보다 높을 수 있지만, 더 높은 스위칭 주파수와 낮은 손실로 인해 수동 부품 및 방열판에 대한 투자가 줄어듭니다.

이 최적화된 시스템은 최대 605W의 절약을 가져올 수 있으며, 연간 8,200시간 동안 다양한 부하 프로파일이 작동한다고 가정할 때, 2023년 11월 현재 중국의 전기 요금을 기준으로 연간 1,297.8 RMB의 절약을 제공하며, 25kW 시스템 기준으로 향후 15년 동안 최대 약 19,000 RMB까지 누적될 수 있습니다. IGBT를 실리콘 카바이드 디바이스로 교체하는 것은 초기 비용이 더 많이 들 수 있지만, 전체 시스템 비용을 고려할 때 실리콘 카바이드의 높은 비용은 수동 부품 감소를 통해 상쇄되며, 동시에 산업용 모터 드라이브 엔드 시스템에서 새로운 수준의 효율성을 달성할 수 있습니다.

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

그림 3에서는 실리콘 카바이드가 더 높은 스위칭 주파수에서도 우수한 성능을 가능하게 하는 방법을 추가로 보여줍니다. 여기에서 스위칭 주파수를 8kHz에서 16kHz로 증가시키고, 비교 가능한 IGBT 히트 싱크보다 41% 더 작은 히트 싱크를 사용합니다. Wolfspeed의 실리콘 카바이드 FM3 식스팩 전력 모듈을 사용하면 여전히 99% 이상의 효율을 유지하거나 150°C 온도 한계에 가까운 피크 로드에서도 효율적인 상태를 유지합니다. 50A 및 100A IGBT의 경우, 스위칭 손실 증가로 인해 각각 약 10kW 및 15kW에서 열적 문제로 실패하기 시작합니다. 이처럼 높은 전류 등급의 IGBT를 Wolfspeed의 FM3 실리콘 카바이드 모듈만큼 효과적으로 동작시키려면, 설계자는 훨씬 더 큰 히트 싱크 또는 더 높은 전류 등급의 부품을 추가해야 합니다. 흥미롭게도, 16kHz에서의 실리콘 카바이드 인버터 효율이 8kHz에서의 IGBT 인버터 효율보다 여전히 더 높습니다.

결론

결론적으로, 기존 실리콘 IGBT를 실리콘 카바이드로 교체하면 25 kW 산업용 저전압 모터 드라이브 시스템에서 최대 2.6%의 전반적인 효율 향상을 달성할 수 있습니다. 높은 출력 수준에서 효율성이 크게 향상되며, 이는 로드 프로파일 전반에 걸쳐 대규모 에너지 절약을 가져옵니다. 실리콘 카바이드는 또한 더 작은 수동 소자와 방열판으로 인해 전력 밀도를 개선하며, 전체 시스템의 비용 및 크기 최적화를 제공합니다. 또한, 높은 접합 온도 가능성과 SiC 소자의 개선된 열 확산 속성은 손실을 줄이면서 디자이너가 더 컴팩트한 시스템을 설계할 수 있도록 하여 드라이브와 모터의 통합을 쉽게 만듭니다.

Wolfspeed 웹사이트에서 Wolfspeed가 산업용 저전압 모터 드라이브의 진화를 어떻게 이끄는지 더 알아보십시오.