유도 가열 애플리케이션의 IGBT 전력손실 최소화
2013년 03월 14일
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최근 들어 사용되고 있는 전기기구 수가 늘어나면서 서구 국가 대부분 및 개발도상국의 일반 가정 내 총 에너지 소모가 꾸준히 증가하게 되었다. 연료 자원이 더욱 부족해짐에 따라 이러한 에너지 소모와 관련된 비용도 증가했으며, 그 결과 전력 업체들은 요금을 인상하고 있다. 전력망에서 얻는 전력량을 극대화하여 전기요금을 억제하고 탄소 배출도 낮추기 위해서는 보다 에너지 효율적인 기기들을 개발하는 데 더 많은 노력을 기울여야 한다.

전자기 방식으로 생성된 열 에너지를 요리에 사용하는 인덕션 쿠커는 우리에게 친숙한 일반적인 가정용 전기 밥솥보다 훨씬 더 에너지 효율적이다. 게다가 생성되는 열은 전도가 아니라 유도 작용에 의한 것이므로 훨씬 더 안전하다. 요리 도구 표면에 신체 일부가 닿더라도 화상을 입을 일이 없기 때문이다.

유도 가열의 원리

유도 가열 애플리케이션에 사용되는 전형적인 준 공진형 플라이백(Quasi-resonant flyback) 토폴로지는 그림 1과 같다. 먼저 전자기 에너지가 생성되면 유도 작용을 이용해 조리 용기로 전달된다. 여기에서 열 에너지로 변환되어 조리 용기를 가열하는 것이다. 가열 과정을 촉발시키는 유도 작용에는 다이오드와 같은 비 제어 스위칭 소자를 이용해 비교적 낮은 주파수의 AC 선로 입력 전압을 정류하는 일이 수반된다.

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정류 전압을 20 kHz~35 kHz의 주파수로 전환하면 고주파 자속이 생성된다. 조리 용기는 이 자기장을 열 에너지로 변환하는 손실성 자기 코어 역할을 하게 된다. 이 열 에너지를 생성하여 전달하는 데 사용되는 주된 부품들은 조리 용기와 인덕터, 공진 콘덴서 그리고 IGBT(insulated gate bipolar transistor)이다.

열 에너지를 조리 용기로 전달하는 데 필요한 자기장을 생성하는 데 있어서 인덕터 권선의 구조는 매우 중요하다. 인덕터 권선들은 나선형으로서 수평면 상에서 서로를 감고 있다. 이러한 배치는 자속의 표면적을 늘려 가열 과정을 더욱 효율적으로 만들어 준다. 조리 용기 둘레에 집중되어 있는 이러한 자속선은 인덕터 권선 주변에 동일한 간격으로 배치된 직사각형 형태의 페라이트 자석 막대를 이용해 더욱 향상된다. 다수의 소형 도체들을 이용하면 표피 효과가 최소화하여 코일의 유도 리액턴스(IR) 손실이 감소된다.

그림 1의 LR은 공심형 인덕터로서 기존의 강자성체 코어 인덕터와 같은 손실을 갖지 않는다. 조리 용기는 자기 소재로 만들어져야만 하는데 그래야만 이것이 코어 역할을 할 수 있다. 인덕션 쿠커의 스위칭 주파수에서 용기의 두께는 효율적인 코어가 되기에는 너무 두껍고 와전류손(渦電流損)이 상당히 크다. 이러한 손실이 자기장을 열 에너지로 바꿔주게 되는데 이로써 용기에 상당한 열을 발생시켜 음식을 요리하게 된다.

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1,200V 정도의 차단 전압을 갖는 IGBT는 싱글 엔드 유도가열 애플리케이션에 널리 사용된다. 끌 때 IGBT 양단에 걸린 높은 전압은 잔류 전류와 함께 상당한 턴오프 손실을 야기한다. IGBT가 온 상태일 동안에는 그 포화 전압과 부하 전류 및 접합 온도(TJ)로 인한 전력 손실이 총 전력손실에 더해진다. 이러한 손실들은 이 애플리케이션들의 전체 효율을 떨어뜨린다. 이러한 손실의 원인을 이해하고 측정하기 위해서는 신뢰성 있고 비교적 빠른 방법을 개발하는 것이 중요한데 인덕션 쿠커 디자인을 위해 IGBT 디자인의 최적화를 모색하고 있을 경우에 특히 그렇다.

이 애플리케이션에서 IGBT의 총 전력 손실은 턴온 손실, 전도 손실, 턴오프 손실 및 다이오드 손실로 이루어진다. 다이오드 손실이 총 전력손실에서 차지하는 부분은 무시할 정도로 작으며 턴온 손실은 영전압 스위칭(ZVS) 기법을 채택할 경우 현저하게 최소화 시킬 수 있다. 그러나 ZVS가 인덕션 쿠커의 모든 동작전압 수준에서 달성되는 것은 아니다.

탱크 회로의 한쪽 끝은 정류된 입력 전압에 연결되어 있으므로 영점 스위칭은 탱크 회로가 0 V에 이르도록 공진시키는 전력 수준에서만 발생한다. 일부 낮은 부하 조건의 탱크 회로 전압은 IGBT의 콜렉터 상에서 0 V에 도달하지 않으므로 영점에서의 스위칭이 달성되지 않으며 턴온 전력손실이 증가하게 된다.

전도 손실

총 전력손실에서 가장 큰 몫을 차지하는 것은 보통 전도 및 턴오프 손실이므로 이 두 가지를 보다 상세히 살펴보도록 하자. IGBT가 소모하는 평균 전력을 수학적으로 표현하면 다음 등식과 같다:



전도 손실의 경우 이 등식은 다음과 같이 바꿔 쓸 수 있다:



이로부터 전도 손실은 부하 전류 VCE(sat)와 듀티 사이클에 좌우된다는 것을 알 수 있다. VCE(sat)의 값은 일정하지 않고 시간이 지남에 따라 달라진다. 이는 또한 부하 전류와 IGBT의 TJ 값에도 좌우된다. 인덕션 쿠커 애플리케이션에서 제어 회로는 조리에 요구되는 전력에 정비례하여 듀티 사이클을 변화시킨다. 그 결과, 전도 손실은 조리를 위한 전력 수준이 가장 높을 때 가장 커지게 되는데 이는 등식 2의 모든 파라미터들이 이 수준에서 최대값을 갖기 때문이다.



그림 2는 선택된 스위칭 주기에서 TJ = 67°C일 때 VCE(sat)와 ICE의 변화를 보여준다. 그림 2의 데이터는 VCE(sat)의 측정에 클램프 회로를 사용하는 상용 인덕션 쿠커로부터 얻은 것이다. 이 회로는 10 V에서 VCE를 클램핑 하는데 이 때 IGBT가 꺼지므로 오실로스코프는 낮은 volt/div 설정을 이용해 VCE를 정확하게 측정할 수 있다.

턴오프 손실

인덕션 쿠커 파형의 턴오프 요소를 그림 3에서 분명하게 볼 수 있다. 이러한 손실들은 IGBT의 잔류 전류와 VCE의 슬루율 그리고 스위칭 주파수의 영향을 받는다. 잔류 전류는 IGBT가 꺼진 후에 표류 영역에 갇힌 소수 캐리어들로 인한 것이다. 이들 소수 전하 캐리어들의 결합률에 영향을 미치는 요소들 가운데는 도핑 농도, 버퍼 층의 두께 그리고 사용된 도핑 기술이 포함된다.

스위칭 주파수는 원하는 조리용 전력 수준과 애플리케이션의 스위칭 제어 알고리즘에 의해 결정된다. 설계 및 개발 과정의 각 단계에서 타겟 애플리케이션의 IGBT 성능을 검증해야 한다. 이러한 성능 검증은 애플리케이션 내에서의 IGBT의 손실 측정을 통해 이루어질 수 있다.

인덕션 쿠커는 기존의 전기 밥솥들보다 25 퍼센트 정도 더 효율적임이 입증되었다. 소프트 스위칭 인덕션 쿠킹 애플리케이션에서 전도 손실과 턴오프 손실은 시스템에 포함시킬 IGBT를 지정하고자 할 경우 고려해야 할 가장 중요한 손실들로서 비슷한 정도의 영향들을 미친다. 이러한 손실들을 정확하게 측정하면 시스템 개발 과정에서 IGBT 성능을 평가하는 데 필요한 데이터를 제공하는 데 도움이 되며 이를 통해 효율 수준의 극대화를 보장할 수 있다.

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