IEEE 논문 요약 - GaN Semiconductors diriving more efficient automotive traction inverters

 

2021' Dec. IEEE power electronics magazine 

제목:[GAN Semiconductors Driving More Efficient Automotive Traction Inverters]

---

 

[Introduction]

EV의 종류는 HEV, PHEV, BEV, FCEV로 구성되어 있다. 오늘날의, 전기차는 AC 영구 자석 혹은 유도 모터를 주로 사용하곤 한다. 

구동용 인버터 (Traction inverter)는 필수적인 요소인데, 배터리팩에서의 DC전류를 다양한 주파수의 AC 전류로 변경하기 위해 요구된다. 반대로, 모터에서 배터리로 에너지를 regenerate 하기위해 정류기로도 사용된다 (회생제동의 의미.)

 

위의 그림처럼 배터리팩, 부스트컨버터(optional함), 트랙션 인버터로 구성되어 있는 것이 일반적인 drivetrain 아키텍처이다. 2레벨 전압원 인버터엔 6개의 스위치가 적용되어, 일반적으로 3상 ac 전압을 모터 권선에 가할 수 있게 해준다. 트랙션 인버터의 스위치에 4-20kHz 정도의 제어 주파수로 (혹은 더 높게) 스위치에 on/off 신호를 가하여 1kHz가 넘는 ac 주파수를 만들어 내 준다. 

앞단의 boost converter는 배터리 전압을 power (boost 한단 의미인가) 하는 용도로 사용되고 효율이나 전력밀도 그리고 시스템 비용의 한계를 넘는데 사용 된다. 

 

 

 

 

 

[손실과 효율] 

 

Drivetrain의 전체 손실은 도통손실과 스위칭 손실을 포함한다. 도통손실은 on-state 전류와 전압을 곱하여 계산된다. 아래 그래프에서 보면 GaN이 IGBT보다 훨씬 적은 도통 손실을 갖는다는 점을 알 수 있다. 

 

기존 industrial 모터 드라이브와는 다르게 전기차 트랙션 인버터는 양방향 전력전달이 가능해야한다 (회생제동 때문에..)

Regerative braking 중에 스위치는 인버터가 rectifier로 동작하게 제어 되고, 모터는 generator처럼 동작하여 전력은 배터리팩으로 거꾸로 전송된다. 

GaN 트랜지스턴느 3 사분면 동작을 하게 되는데, 동기정류기로 동작을 하게 되어 regenerative mode에서도 매우 낮은 손실을 갖을 수 있게 해준다. 이것은 기존의 IGBT 에서는 바디다이오드에서의 큰 reverse recovery loss 때문에 불가능 했었다... 결론적으로 GaN은 모든 출력 레벨 및 주파수 범위에서 낮은 도통 손실 뿐만 아니라 높은 인버터 스위칭 주파수에서도 높은 효율을 얻게 해준다.  

 

 

 

결론적으로, 1)연비가 늘어나고 (최대 6~10%), 2)시스템 비용(방열관련)을 아낄수 있게 해준다.