전력 스위칭 소자의 냉각

본 논문 요약은 ['Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro']에서 발행한 ['Cooling of Power Switching Device'] 논문을 기반으로 작성되었습니다.

1. 개요:

• 제목: 전력 스위칭 소자의 냉각 (Cooling of Power Switching Device)
• 저자: Syaoqi Muttaqin (21060112130034)
• 발행 연도: 논문에서 명시되지 않음, 참고 문헌 접근 날짜를 기준으로 2015년경으로 추정.
• 발행 학술지/학회: Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro (디포네고로 대학교 공과대학 전기공학과)
• 키워드: 스위칭 손실 (Switching Losses), 방열판 (Heatsink)

2. 초록 또는 서론

초록:

전기 기기 사용에 있어 전력 전자 부품은 필수적이며, 전력 전자 부품은 사용되는 전기 기기의 성능 조절에 기능을 하는 스위칭 소자 역할을 합니다. 문제점은 스위칭 과정이 반도체의 스위칭 손실로 이어지는 접합 온도 상승을 유발한다는 것입니다. 전력 전자 부품의 신뢰성과 수명은 부품이 도달했던 접합 온도와 관련이 있습니다. 반도체에서 스위칭 과정으로 인한 열은 부품을 과도한 온도 상승으로부터 보호하기 위해 가능한 한 손실 전력의 형태로 외부로 발산되어야 합니다. 따라서 스위칭 과정으로 인한 온도 상승을 해결하기 위한 열 시스템 설계 및 냉각 방법이 매우 중요합니다. 방열판은 시스템 외부로 열을 전달하는 데 중요한 역할을 하는 주요 부품입니다. 본 논문에서는 스위칭 부품 냉각과 관련된 다양한 냉각 방법과 이론적 분석을 제시하고자 합니다.

I. 서론

전기 기기 사용에 있어 전력 전자 부품은 사용되는 전기 기기의 성능 조절에 기능을 하는 스위칭 소자 역할을 합니다. 문제점은 스위칭 과정이 반도체의 스위칭 손실로 이어지는 접합 온도 상승을 유발한다는 것입니다. 전력 전자 부품의 신뢰성과 수명은 부품이 도달했던 접합 온도와 관련이 있습니다. 접합 온도(junction temperature)가 10°C 감소할 때마다 수명은 두 배 이상 증가합니다 [1].

반도체에서 스위칭 과정으로 인한 열은 부품을 과도한 온도 상승으로부터 보호하기 위해 가능한 한 손실 전력의 형태로 외부로 발산되어야 합니다. 방열판(Heatsink)과 열 저항(Thermal resistance)은 전력 전자 장치의 냉각 시스템 설계를 결정하는 데 중요한 부품이자 요소이며, 시스템 외부로 열을 발산시키는 역할을 합니다 [2]. 응용 분야에는 다양한 유형의 스위칭 부품 냉각 방법과 최대 냉각 결과를 얻기 위한 이론적 고려 사항이 있습니다.

3. 연구 배경:

연구 주제 배경:

전기 기기 응용 분야에서 전력 전자 부품은 필수적이며, 이러한 기기의 성능을 조절하는 스위칭 소자 역할을 합니다. 주요 과제는 스위칭 과정 자체가 접합 온도 상승을 유발한다는 점입니다. 이러한 온도 상승은 반도체에서 스위칭 손실과 직접적으로 관련됩니다.

기존 연구 현황:

전력 전자 부품의 신뢰성과 수명은 경험하는 최대 접합 온도와 본질적으로 연결되어 있습니다. 반도체에서 스위칭 과정 중에 생성된 열은 과도한 온도 상승과 그에 따른 손상을 방지하기 위해 효율적으로 발산되어야 합니다. 결과적으로 효과적인 열 시스템 및 냉각 방법 설계는 스위칭으로 인한 온도 상승을 관리하는 데 가장 중요합니다. 방열판은 이러한 시스템에서 중요한 부품이며, 시스템 외부로 열을 전달하는 데 중요한 역할을 합니다 [2].

연구의 필요성:

스위칭 부품에 적용 가능한 다양한 냉각 방법을 이해하는 것이 중요합니다. 또한 이러한 방법의 작동 방식과 효율성에 대한 이론적 이해를 제공하는 이론적 분석이 필요합니다.

4. 연구 목적 및 연구 질문:

연구 목적:

본 논문은 다양한 냉각 방법과 관련된 이론적 분석을 제시하여 스위칭 부품의 냉각을 명확히 하는 것을 목표로 합니다.

핵심 연구:

본 연구의 핵심 초점은 스위칭 부품과 관련된 다양한 냉각 방법론을 탐구하고 작동 원리 및 효율성에 대한 이론적 이해를 제공하는 것입니다.

연구 가설:

공식적인 가설로 명시되지는 않았지만, 기본적인 전제는 적절한 냉각 방법의 신중한 선택과 적용이 스위칭 소자에서 발생하는 열을 효과적으로 관리할 수 있다는 것입니다. 이러한 관리는 최적의 시스템 성능을 유지하고 전력 전자 부품의 수명을 보장하는 데 매우 중요합니다.

5. 연구 방법론

연구 설계:

본 논문은 문헌 검토 및 이론적 설명을 기반으로 하는 기술적 연구 설계를 채택합니다.

자료 수집 방법:

제시된 정보는 기존 문헌과 열 관리 및 전자 장치 냉각 분야의 확립된 이론적 원리를 종합한 것입니다.

분석 방법:

분석은 주로 이론적이며, 다양한 냉각 방법의 원리와 수학적 표현에 초점을 맞춥니다.

연구 대상 및 범위:

본 논문의 범위는 전력 스위칭 소자에 적용 가능한 다양한 냉각 기술을 포함합니다. 주요 탐구 영역에는 열 저항, 스위칭 손실, 다양한 유형의 방열판, 공기 및 액체 냉각 방법론이 포함됩니다.

6. 주요 연구 결과:

핵심 연구 결과:

본 논문은 전력 스위칭 소자 냉각의 여러 핵심 측면을 자세히 설명합니다.

• 열 저항 (Thermal Resistance): 와트당 온도 상승률(°C/W)로 정의 및 설명됩니다. 가상 접합부에서 주변 공기까지의 총 열 저항 (Roj-a)은 다음 방정식으로 설명됩니다. Roj-a = Roj-c + Rec-ax (Rec-s + Res-a) / (Rec-a + Rec-s + Res-a)
• 스위칭 소자 손실 (Switching Device Losses): 총 전력 손실 (Pd)은 스위칭 과도 손실 (Ps), 온-컨덕션 손실 (Pc), 구동 입력 소자 손실 (PG), 오프-상태 누설 손실 (Pl)의 합입니다. 저항 부하의 경우 스위칭 과도 손실 (Ps)은 다음과 같습니다. P=VItf 유도 부하의 경우 스위칭 과도 손실 (Ps)은 다음과 같습니다. P = VImtf 컨덕션 전력 손실 (Pc)은 다음과 같습니다. P = δI²Ron
• 방열판 유형 (Heatsink Types): 다음과 같은 다양한 유형의 방열판에 대해 논의합니다.
  • 압출 핀 (Extruded fins)
  • 주조 핀 (Casted fins)
  • 변형된 주조 핀 (Modified Casted-fins)
  • 접합/제작 핀 (Bonded/fabricated fins)
  • 단조/스탬프 핀 (Forged/Stamped fins)
  • 기계 가공 핀 (Machined fins)
  • 플로딩/나선형 핀 (Floded/Convoluted fins)
  • 스키브 핀 (Skived fins)
  • 스웨이지 핀 (Swaged fins)
• 냉각 방법 (Cooling Methods): 다양한 냉각 방법을 탐구합니다.
  • 팬 및 블로어를 이용한 공기 냉각 (Air Cooling with Fans and Blowers): 축류 팬 및 원심 팬 활용. 발산된 에너지는 다음과 같습니다. PD = mf × Cp × ΔT 필요한 체적 유량 (G)는 다음과 같습니다. G = P / (ρ× Cp × ΔT)
  • 간접 액체 냉각 (Indirect Liquid Cooling): 히트 파이프 및 냉각판 포함.
    • 히트 파이프 작동 사이클은 4단계로 설명됩니다.
    • 냉각판은 튜브형, 건-드릴형, 진공 브레이징 내부 핀형으로 더 분류됩니다.
  • 직접 액체 냉각 (Direct Liquid Cooling): 침수 냉각 및 액체 제트 충돌 냉각 포함.
  • 고체 상태 냉각 (Solid State Cooling): 열전 냉각기 (TEC) 사용, 성능 계수 (COP)는 다음과 같이 정의됩니다. CoP = Pcold / Ptec = Pcold / (Vtec × Ite)

제시된 데이터 분석:

본 논문에는 설명을 뒷받침하는 그래픽 및 회로도 데이터가 포함되어 있습니다.

• Gambar 1. 열 발산 모델 (Thermal dissipation model): 접합부에서 주변 공기까지의 열 저항 네트워크를 보여줍니다.
• Gambar 2. 등가 회로 (Equivalent circuit): 열 발산 모델의 전기적 등가 회로를 보여줍니다.
• Gambar 3. 방열판 치수가 열 저항에 미치는 영향 (Dimensi heatsink mempengaruhi thermal resistance): 방열판의 치수와 열 저항에 미치는 영향을 묘사합니다.
• Gambar 4. 온-오프 과도 조건에서 전류 및 전압 파형 형태 (a) 유도 부하 (b) 저항 부하 (Bentuk gelombang arus dan tegangan saat kondisi transisi on-off (a) beban induktif (b) beban resistif): 유도 및 저항 부하에 대한 스위칭 과도 상태 동안의 전류 및 전압 파형을 보여줍니다.
• Gambar 5. 접합 핀 (Bonded fin): 접합 핀 방열판 이미지.
• Gambar 6. 단조 핀 (Forged fin): 단조 핀 방열판 이미지.
• Gambar 7. 플로딩 핀 (Floded fin): 플로딩 핀 방열판 이미지.
• Gambar 8. 스키브 핀 (Skived fin): 스키브 핀 방열판 이미지.
• Gambar 9. 기계 가공 핀 (Machined fin): 기계 가공 핀 방열판 이미지.
• Gambar 10. 스웨이지 핀 (Swaged fin): 스웨이지 핀 방열판 이미지.
• Gambar 11. 비용 대비 열 저항 비교 그래프 (Grafik perbandingan cost - thermal resistance): 다양한 방열판 유형에 대한 비용 대 열 저항 비교 그래프.
• Gambar 12. 축류 팬 (Axial fans): 다양한 축류 팬 설계 그림.
• Gambar 13. 원심 팬 (Centrifugal fans): 다양한 원심 팬 설계 그림.
• Gambar 14. 캐비닛 냉각 (Cabinet cooling): 팬을 이용한 캐비닛 냉각 다이어그램.
• Gambar 15. 냉각 캐비닛 내 공기 순환 (Sirkulasi udara dalam cooling cabinet): 냉각 캐비닛 내 공기 순환 다이어그램.
• Gambar 16. 히트 파이프 열역학 사이클 (Siklus thermodinamika hate pipe): T-s 선도 상의 히트 파이프 열역학 사이클.
• Gambar 17. 증기 동력 사이클 (Vapour power cycle): 히트 파이프의 증기 동력 사이클 회로도.
• Gambar 18. 윅 유형 (Tipe wick): 히트 파이프용 다양한 윅 유형 그림.
• Gambar 19. 노트북의 히트 파이프 응용 (Aplikasi heat pipe pada notebook): 노트북 냉각 시스템의 히트 파이프 응용.
• Gambar 20. 냉각판 그림 (Ilustrasi cold plates): 냉각판 냉각 시스템 그림.
• Gambar 21. 다양한 냉각판 성능 비교 (Perbandingan performa dari berbagai macam cold plates): 다양한 냉각판 설계 성능 비교 그래프.
• Gambar 22. 충돌 제트 냉각 (Impengement jet cooling): 충돌 제트 냉각 다이어그램.
• Gambar 23. 열전 모듈 (Module thermoelectric): 열전 모듈 다이어그램.
• Gambar 24. 열전 소자 성능 차트 (Chart Performance of Thermoelectric Device): 열전 소자 성능 차트.
• Gambar 24. TEC의 열 저항 모델 (Thermal Resistance model dari TEC): TEC의 열 저항 모델. (참고: 원본 문서에 24번으로 번호가 매겨진 그림이 두 개 있으며, 이는 원본 소스를 반영하기 위한 의도적인 것입니다.)

그림 목록:

• Gambar 1. Thermal dissipation model
• Gambar 2. Equivalent circuit
• Gambar 3. Dimensi heatsink mempengaruhi thermal resistance
• Gambar 4. Bentuk gelombang arus dan tegangan saat kondisi transisi on-off (a) beban induktif (b) beban resistif
• Gambar 5. Bonded fin
• Gambar 6. Forged fin
• Gambar 7. Floded fin
• Gambar 8. Skived fin
• Gambar 9. Machined fin
• Gambar 10. Swaged fin
• Gambar 11. Grafik perbandingan cost - thermal resistance
• Gambar 12. Axial fans
• Gambar 13. Centrifugal fans
• Gambar 14. Cabinet cooling
• Gambar 15. Sirkulasi udara dalam cooling cabinet
• Gambar 16. Siklus thermodinamika hate pipe
• Gambar 17. Vapour power cycle
• Gambar 18. Tipe wick
• Gambar 19. Aplikasi heat pipe pada notebook
• Gambar 20. Ilustrasi cold plates
• Gambar 21. Perbandingan performa dari berbagai macam cold plates
• Gambar 22. Impengement jet cooling
• Gambar 23. Module thermoelectric
• Gambar 24. Chart Performance of Thermoelectric Device
• Gambar 24. Thermal Resistance model dari TEC

7. 결론:

주요 연구 결과 요약:

본 논문은 전기 기기 사용을 위한 스위칭 부품의 다양한 냉각 방법이 존재한다는 결론을 내립니다. 각 방법은 고유한 장단점을 가지고 있으며, 적절한 기술 선택은 냉각되는 특정 전자 장치 및 응용 분야 요구 사항에 따라 달라집니다. 이러한 냉각 방법의 모델링 및 이론적 이해는 엔지니어가 전력 전자 시스템에서 스위칭 부품의 성능과 신뢰성을 최적화하기 위해 가장 효과적인 냉각 전략을 선택하는 데 정보에 입각한 결정을 내리는 데 필수적입니다.

연구의 학문적 의의:

본 연구는 전력 스위칭 소자를 위한 다양한 냉각 방법론에 대한 핸드북 수준의 포괄적인 개요를 제공합니다. 이론적 원리와 실제적 고려 사항을 통합하여 전력 전자 및 열 관리 분야 전문가와 연구원에게 귀중한 자료 역할을 합니다.

실용적 의미:

본 논문의 실용적 의미는 전력 전자 시스템을 다루는 엔지니어와 설계자에게 중요합니다. 효율적인 방열, 시스템 성능 향상 및 부품 수명 연장을 보장하면서 스위칭 부품에 적합한 냉각 솔루션을 선택하고 구현하는 데 지침을 제공합니다.

연구의 한계 및 향후 연구 분야:

본 연구는 검토 논문으로서 새로운 실험 데이터를 제시하거나 매우 구체적인 응용 시나리오를 자세히 다루지는 않습니다. 향후 연구에서는 다양한 작동 조건에서 다양한 냉각 방법의 비교 실험 분석, 고급 냉각 기술 조사, 고출력 다이캐스팅 기계 및 기타 까다로운 산업 환경과 같은 새로운 전력 전자 응용 분야에 대한 냉각 솔루션 최적화에 집중할 수 있습니다.

8. 참고 문헌:

[1] Huges, Austin. Electric Motors and Drives Fundamenta, Types and Applications. Elsevier Ltd. 2006
[2] Anonim. Chapter 5 Cooling of Power Switching Semiconductor Devices.
[3] Anomim. (2010) Cooling of Power Switching Device. (Online) (http://what-when-how.com/motors-and-drives/cooling-of-power-switching-devices-motors-and-drives/, diakses tanggal 26 Juni 2015)
[4] Semikron. (2012) Cooling Methods for Power Semiconductor Devices. (Online) (http://www.powerguru.org/cooling-methods-for-power-semiconductor-devices/, diakses tanggal 26 Juni 2015)
[5] Anonim. Cooling Methode for Power Semiconductor Device and Device Mounting Between Cooling Fans. Mitsubishi High Power Semiconductor. 1998.
[6] Anonim. Thermacore, Power Semiconductor Cooling Solution. 2009.
[7] Fishenden, M. and Saunders, 0. A., An Introduction to Heat Transfer, Oxford University Press, 1982.
[8] Anonim. (Online) (http://www.electronics-cooling.com/, diakses tanggal 26 Juni 2015)

9. 저작권:

• 본 자료는 "Syaoqi Muttaqin"의 논문: "Cooling of Power Switching Device"를 기반으로 합니다.
• 논문 출처: [논문에 명시되지 않음, DOI URL 없음]

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