광대역 밴드 갭 전력 전자 부품의 열적 과제 (전기 자동차)

본 소개 자료는 ResearchGate에 게재된 "Thermal challenges of Wide Band Gap power electronics component in electrical vehicle" 논문의 연구 내용을 담고 있습니다.

1. 개요:

• 제목: Thermal challenges of Wide Band Gap power electronics component in electrical vehicle (전기 자동차 내 광대역 밴드 갭 전력 전자 부품의 열적 과제)
• 저자: J. Hélie, J.-P. Fradin, F. Piscaglia
• 출판 연도: 2022
• 게재 저널/학회: Conference Paper
• 키워드: wide band gap, GaN, SiC, packaging, power electronic, cooling, heat transfer, EV, PHEV (광대역 밴드 갭, GaN, SiC, 패키징, 전력 전자, 냉각, 열전달, EV, PHEV)

2. 초록 (Abstract)

전력 전자 장치의 냉각은 효율성, 소형화 및 비용 간의 최적의 절충을 위해 필수적입니다. 차세대 고전압 박스의 경우 액체 강제 대류 냉각에 중점을 둡니다. 첫째, 콜드 플레이트 개략도 및 콜드 플레이트 설계 제약 조건의 몇 가지 예가 설명되어 있습니다. 이러한 구성 설계에 대한 몇 가지 잠재적인 혁신은 토폴로지 최적화(TO)를 통한 시뮬레이션으로 얻을 수 있습니다. TO는 약한 난류 수준 덕분에 기존 엔지니어 설계에 대한 대안을 제공합니다. 둘째, 광대역 밴드 갭(SiC 및 GaN) 재료를 채택한 차세대 트랜지스터는 향상된 기능을 제공합니다. 또한 "Top cooled"로 정의된 최근 패키징 전략은 히트 싱크 앞쪽에 열 노출 패드로 구성되며 더 이상 PCB에 부착되지 않습니다.

패키징 크기는 냉각 설계에 있어 핵심적인 관련 매개변수입니다. 노출된 패드의 크기는 다이와 히트 싱크 사이의 열 경로의 열 저항과 재료의 확산 능력 모두에 영향을 미칩니다. 마지막으로, 이러한 영향은 분석적으로 증명, 정량화 및 실험적으로 검증될 수 있습니다. 패키징 크기는 냉각 유체와의 교환 표면에도 영향을 미쳐 이러한 효과를 강화합니다.

3. 연구 배경:

연구 주제 배경:

자동차 애플리케이션, 특히 고전압 전력 전자 보드에서 전력 전자 보드[1]의 냉각은 매우 중요합니다.

선행 연구 현황:

SiC 및 GaN과 같은 광대역 밴드 갭(WBG) 재료는 기존 실리콘 기반 장치에 비해 향상된 기능을 제공합니다. Keyes merit factor [3]는 열적 관점에서 다양한 재료를 비교하여[4] SiC-4H 및 SiC-6H가 실리콘보다 훨씬 우수한 성능을 보임을 보여줍니다(그림 3). GaN은 또한 효율성 개선 가능성을 보여줍니다[2]. 이전 연구에서는 임베디드 다이 개념[5,6]과 통합 모듈을 탐구했습니다.

연구 필요성:

WBG 재료와 "Top cooled" 부품과 같은 새로운 패키징 전략의 등장으로 효율성, 소형화 및 비용을 위해 전력 전자 장치의 냉각을 최적화해야 할 필요성이 있습니다.

4. 연구 목적 및 연구 질문:

연구 목적:

액체 강제 대류 냉각에 중점을 두고 전기 자동차의 WBG 전력 전자 부품 냉각에 대한 열적 과제 및 설계 고려 사항을 조사합니다.

핵심 연구:

• 콜드 플레이트 설계 및 제약 조건 탐색.
• 패키징 크기가 열 저항에 미치는 영향 조사.
• 패키징 크기의 영향을 분석적 및 실험적으로 정량화하고 검증.
• 혁신적인 냉각 설계를 위한 토폴로지 최적화 활용.

5. 연구 방법

본 연구는 분석적 모델링, 수치 시뮬레이션 및 실험적 검증을 결합하여 사용합니다.

• 분석적 모델링: 열 저항 네트워크를 사용하여 접합부에서 냉각 유체로의 열 전달 경로를 모델링합니다(식 1). 1D 모델 및 확산 저항 계산이 사용됩니다(식 2).
• 수치 시뮬레이션: 콜드 플레이트 설계를 위해 토폴로지 최적화(TO)가 사용됩니다. 전산 유체 역학(CFD) 및 열 전달 분석을 포함한 다차원 시뮬레이션이 수행됩니다. "디지털 트윈" 접근 방식.
• 실험적 검증: 모델 및 시뮬레이션을 검증하기 위해 다양한 WBG 기술 및 구성 요소에 대한 측정이 수행됩니다(그림 7, 그림 10).

6. 주요 연구 결과:

주요 연구 결과 및 제시된 데이터 분석:

• 콜드 플레이트 설계에서 열 전달 계수와 압력 강하 사이에는 상충 관계가 존재합니다(그림 2).
• RDson 대 온도의 안정성은 실리콘에 비해 SiC에서 훨씬 더 높습니다(그림 4).
• 상단 냉각 및 하단 냉각 SMD 부품 구현은 서로 다른 열 병목 현상을 갖습니다(그림 5).
• 중간 재료(IM) 층의 열 저항이 중요합니다(그림 7).
• 패키징 표면적은 열 저항에 큰 영향을 미칩니다(그림 7).
• 특히 패키징 크기가 작을수록 확산 저항을 고려해야 합니다.
• 시뮬레이션 결과는 공랭식 조건에 대한 실험 데이터와 잘 일치합니다(그림 10).
• 토폴로지 최적화는 혁신적인 콜드 플레이트 설계를 생성할 수 있습니다(그림 11, 그림 13).

그림 이름 목록:

• 그림 1: 일반적인 전력 전자 스테이지
• 그림 2: Win/Loss 트레이드 오프
• 그림 3: Keyes Merit factor를 사용한 재료 비교(실리콘으로 정규화)
• 그림 4: 재료 비교: 온도에 따른 RDson의 안정성
• 그림 5: 하단 냉각 및 상단 냉각 SMD 메카트로닉 구현
• 그림 6: 일반적인 핀 배열 콜드 플레이트 위에 있는 대형 부품과 60mm2 Mosfet 비교. 하단은 주 유체 흐름에 잠긴 핀 배열을 나타냅니다.
• 그림 7: 다양한 MOSFET의 열 저항. 점: 측정. 선: 1D 모델. 반투명 영역: 범위. 회색은 하단 냉각, 분홍색은 상단 냉각을 나타냅니다.
• 그림 8: 고체(콜드 플레이트 베이스)에서의 결합된 전도-대류. 상단: 무차원 열 저항. 하단: 무차원 온도 콘 폭
• 그림 9: 상단: 공랭식 예. 하단: 액랭식 예.
• 그림 10: 공랭식 예; 시뮬레이션/실험 비교
• 그림 11: 액랭식 예; 피부 온도 예측 시뮬레이션
• 그림 12: 최적화 접근 방식의 범주
• 그림 13: 개념 증명: 3가지 구성 요소를 사용한 시뮬레이션 결과. 알파 임계값은 유선과 함께 중첩됩니다. 상단: 2D 시뮬레이션 압출. 중앙: 3D 시뮬레이션, 압력 강하에 대한 목적 함수 설정. 하단: 구성 요소 온도에 대한 목적 함수 설정.

7. 결론:

주요 결과 요약:

WBG 부품은 전기 자동차 전력 전자 장치의 전력 밀도를 높이는 데 중요합니다. 열 경로 설계, 특히 작은 열점에서 열 확산이 중요합니다. 토폴로지 최적화를 포함한 전통적 및 혁신적인 시뮬레이션 방법 모두 콜드 플레이트 설계에 도움이 될 수 있습니다.

연구 결과 요약.

본 연구는 WBG 전력 전자 장치의 열 관리에서 패키징 크기 및 인터페이스 재료의 중요성을 강조합니다. 새로운 냉각 솔루션을 생성하는 데 있어 토폴로지 최적화의 효과를 보여줍니다.

연구의 학문적 의의, 연구의 실제적 시사점

본 연구는 전기 자동차 애플리케이션에서 WBG 기술이 제시하는 열 설계 과제 및 기회에 대한 귀중한 통찰력을 제공합니다. 연구 결과는 보다 효율적이고 컴팩트한 전력 전자 시스템 개발을 안내할 수 있습니다.

8. 참고 문헌:

• [1] F. Boissière, M Glötz, M Hackelsperger, K. Boukhris: "High Voltage Box for Electrified Vehicles", MTZ, 2022
• [2] G. Rösel, M. Hackelsperger, R. Knorr, J. Popov, Chr. Preis, A. Reich: "Achieving benchmark in power density and sustainability for power net, power supply and onboard chargers by a new generation of DC/DC converters and OBCs with Gallium nitride semiconductors", 2022
• [3] R. W. Keyes: "Figure of merit for semiconductors for high-speed switches", Proceedings of the IEEE, Feb. 1972
• [4] H. Okumura: "Present Status and Future Prospect of Widegap Semiconductor High-Power Devices", Japanese Journal of Applied Physics Vol. 45, No. 10A, 2006, pp. 7565-7586
• [5] M. Aussel: "CHPA : Feasibility of 'PCB with embebbed bare dies' for Electric Vehicle On Board Chargers", National Reliability Technology Workshop, Toulouse, 2021
• [6] A. Marie, J.-P. Fradin, L. Allirand, M. Aussel, P.-Y. Hamelin "Assessment of embedded GaN HEMT junction temperature measurement accuracy" THERMAL2023 : 16th European Advanced Technology Workshop on Micropackaging and thermal, March 2023
• [7] D. Schweitzer and L. Chen, "Heat spreading revisited – effective heat spreading angle," 2015 31st Thermal Measurement, Modeling & Management Symposium (SEMI-THERM), 2015
• [8] F. Ghioldi, J. Hélie, F. Piscaglia: "A Fast Computational Method for the Optimal Thermal Design of Anisotropic Multilayer Structures with Discrete Heat Sources for Electrified Propulsion Systems", International Journal of Heat and Mass Transfer, 2021
• [9] T. Q. Feng, J. L. X: "An analytical solution of thermal resistance of cubic heat spreaders for electronic cooling", Applied Thermal Engineering 24 (2-3) 2004
• [10] Pironneau O.: "On optimum design in fluid mechanics". Journal of Fluid Mechanics 1974; 64(1): 97-110
• [11] E.M. Dede: "Multiphysics Topology Optimization of Heat Transfer and Fluid Flow Systems", Proceedings of the COMSOL Conference 2009 Boston
• [12] Dwight R, Brezillon J: "Effect of Various Approximations of the Discrete Adjoint on Gradient-Based Optimization", Aerospace Sciences Meetings. American Institute of Aeronautics and Astronautics. 2006
• [13] E. Gallorini, J. Helie, F. Piscaglia: "A Thermal Adjoint-Based Solver with Adaptive Mesh Refinement For Topology Optimization", Int J. Num. Methods Fluids, 2022, submitted

9. 저작권:

• 본 자료는 "J. Hélie, J.-P. Fradin, F. Piscaglia"의 논문 "Thermal challenges of Wide Band Gap power electronics component in electrical vehicle"을 기반으로 합니다.
• 논문 출처: [문서에 URL이 제공되지 않았습니다.]

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