[논문 리뷰] Thermal Design of Power Electronic Circuits

R. Künzi|arXiv (Cornell University)|2016. 07. 06.

Silicon Carbide Semiconductor Technologies인용 수 17

한 줄 요약

이 논문은 전력 전자 회로의 체계적인 열 설계 방법론을 제시하며, 데이터시트와 실험적 검증을 통해 도체 손실 및 스위칭 손실을 정확하게 추정하는 데 중점을 둔다. 실질적인 PCB 기반 컨버터 설계를 통해 열 모델링, 전략적 비아 배치, 그리고 부품 수준의 열 최적화를 조합함으로써 강제 대류 없이도 효과적인 수동 냉각이 가능하며, 전체 부하 조건 하에서 균일한 온도 분포를 달성하여 65 °C 이하로 유지할 수 있음을 입증한다.

ABSTRACT

The heart of every switched mode converter consists of several switching semiconductor elements. Due to their non-ideal behaviour there are ON state and switching losses heating up the silicon chip. That heat must effectively be transferred to the environment in order to prevent overheating or even destruction of the element. For a cost-effective design, the semiconductors should be operated close to their thermal limits. Unfortunately the chip temperature cannot be measured directly. Therefore a detailed understanding of how losses arise, including their quantitative estimation, is required. Furthermore, the heat paths to the environment must be understood in detail. This paper describes the main issues of loss generation and its transfer to the environment and how it can be estimated by the help of datasheets and/or experiments.

연구 동기 및 목표

• 데이터시트 파라미터를 활용하여 전력 반도체의 도체 손실 및 스위칭 손실을 체계적으로 추정하는 방법을 개발한다.
• 전력 전자 모듈에서 반도체 접합부에서 환경까지의 열 경로를 분석한다.
• PCB에서의 수동 냉각 설계를 통해 극대화된 열 안정성과 온도 균일성을 확보하고, 핫스팟을 최소화한다.
• 프로토타이핑, 온도 측정, 반복적인 설계 개선을 통해 열 성능을 검증한다.
• 열 전도성 경로 최적화를 통해 강제 냉각 없이도 효과적인 열 관리를 달성할 수 있음을 입증한다.

제안 방법

• IGBT 및 다이오드의 도체 손실과 스위칭 손실을 추정하기 위해 VCE, VF, Rth(ja) 등의 데이터시트 파라미터를 사용한다.
• IGBT 도체 손실의 경우 P_loss = m·I_out·V_CE 공식을 적용하고, 다이오드 도체 손실의 경우 P_loss = (1−m)·I_out·V_F 공식을 적용한다.
• 다양한 재료의 λ 값(표 2 참조)을 사용하여 R_th = l / (λ·A) 공식을 통해 PCB 층의 열저항을 계산한다.
• 구리 도금된 구멍인 열 비아를 사용하여 PCB 층 간의 열저항을 감소시키며, 각 비아에 대해 R_th via = l / (λ·A) 공식을 적용해 계산한다.
• 열 전도성 구리 층과 열전달 필름을 포함한 다층 PCB를 설계하여 수평 및 수직 방향의 열 확산을 향상시킨다.
• 프로토타입의 열 이미징을 통해 설계를 검증하고, 측정된 온도와 계산된 열 모델 간의 비교를 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표준 데이터시트 파라미터에서 전력 반도체의 도체 손실 및 스위칭 손실을 정확하게 추정하는 방법은 무엇인가?
• RQ2 고전력 전자 모듈에서 PCB 층과 비아를 통한 열저항이 접합 온도 상승에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ3 강제 냉각 없이도 수동 열 관리를 최적화하여 전력 전자 컨버터에서 핫스팟을 제거할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ4 부품 수준의 변경(예: 실장형 장치로의 교체)이 열 성능에 미치는 영향은 어느 정도인가?
• RQ5 이론적 열 모델과 실제 전력 컨버터 설계에서의 실험적 온도 측정치 간의 상관관계는 얼마나 높은가?

주요 결과

• m = 0.8 이며 접합 온도 가정 조건 하에서 IGBT의 도체 손실은 176 W, 고속 회복 다이오드의 도체 손실은 46 W로 추정되었다.
• FR-4로 구성된 PCB 코어만으로도 열저항이 13.3 K/W로 계산되었으며, 이는 보드 전체를 관통하는 133 K의 온도 상승을 초래하여 신뢰성 있는 작동 조건으로서 부적절하다.
• 64개의 열 비아를 추가함으로써 효과적 열저항이 2.45 K/W로 감소하였고, 이는 PCB 층과 결합된 상태에서 온도 차이를 20.7 K로 낮추었다.
• 최종 설계에서는 대부분의 부품이 65 °C 이하로 균일한 온도 분포를 확보하였고, 극심한 핫스팟이 없었으며, 열 전략의 효과성을 확인하였다.
• 부품 교체(예: 금속 케이스를 가진 SMD로의 전환, 더 높은 정격 카오리스 사용 등)가 열 성능 향상에 상당한 기여를 하였다.
• 최종 프로토타입에서 측정된 온도는 이론적 열 모델과 강한 상관관계를 보였으며, 설계 방법론의 타당성을 검증하였다.