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풍력 터빈 인버터의 신뢰성 증대를 위한 기술
인피니언
글 김민형 2009-12-04 |   지면 발행 ( 2009년 12월호 - 전체 보기 )
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600V CoolMOS™ C6 - 에너지 효율 대폭 증대

재생 에너지의 사용이 지속적으로 증가하면서 엄청난 양의 전력 반도체가 요구되고 있다. 가장 비용 효율적인 재생 에너지원 중의 하나가 풍력발전소이다. 주파수 컨버터는 중요한 부분을 구성하며 전력 공급망을 활용한다. 전력 반도체는 높은 신뢰성을 통해 이러한 애플리케이션의 요건들을 충족하며, 이들 컨버터의 핵심을 구성한다.
본고에서는 이중-여자(doubly-fed) 비동기식 발전기를 이용하는 풍력발전소의 일반적인 토폴로지뿐만 아니라 주파수 컨버터 시스템의 동작 모드를 소개한다. 미래의 전력 반도체에 있어 핵심은 내구성과 신뢰성이다.

글: 마이클 슬레븐(Michael Sleven)
인피니언 테크놀로지스 (www.infineon.com )

이중-여자 비동기식 발전기를 이용하는 풍력 터빈

이중-여자 비동기식(또는 유도) 발전기(DFIG)가 일반적으로 풍력 터빈에 적용된다. DFIG는 인버터와 관련하여 가변 속도 시스템이다. 다른 시스템들과 비교하여 발전기 회전자(rotor)가 농형(squirrel cage)으로 설정되지 않았지만, 대신 슬립링을 통해 액세스 가능한 3상 권선으로 형성되었다. 인버터는 여기 전력뿐만 아니라 가변 위상각을 가진 회전자기장을 제공하는 데 사용된다. 회전자기장의 설정값은 동기식 회전자기장의 본체(mains)와 회전자 속도의 차이에 의해 결정된다. 따라서 DFIG는 동기식 상하 모두에서 동작할 수 있다.

동작 지점 동시성은 회전자 속도가 본체의 회전자기장과 같으며, 따라서 회전자 전압은 0에 가깝다. 이 지점은 일반적으로 효율을 최적화하기 위해서 터빈의 설계 범위의 중간에 선택된다. 크기와 위상각으로 회전자 전류를 제어함으로써 실제 및 반응 전력 컴포넌트 모드를 제공할 수 있다. 일반적으로 이것은 필드 벡터 제어(field vector control)를 통해 달성된다. 이로써 회전자 전류가 데카르트 좌표 체계(Cartesian co-ordinate system)로 전환된다. 결과적으로 이것은 복소수(complex number) 영역으로 전환되어 유도 전동기(induction machine)의 단선 등가 회로의 추가를 통해 전류 컴포넌트들을 생성하는 토크와 플럭스를 제공한다.
뿐만 아니라 최신 풍력 터빈은 피치 제어 시스템을 특징으로 한다.  터빈의 공칭 풍속보다 높은 1과 2 사이에 그림 2에서 설명한 것과 같은 풍속 증가가 나타나면 회전자 블레이드 피치 제어를 통해 보상된다. 이것이 터빈의 주요한 공기역학(aero-dynamic) 전력 제어 시스템이며, 이를 통해 터빈을 손상으로부터 보호한다.

인버터

NSR(grid side converter), MSR(rotor machine side converter), DC-버스로 구성된 인버터를 나타낸 것이다. 에너지 흐름이 본체의 방향에서뿐만 아니라 회전자의 방향에서도 발생해야 하기 때문에 제어되지 않은 B6-브리지는 옵션이 아니다. 두 컨버터 모두가 가급적이면 최신 IGBT 모듈을 탑재한 B6-브리지로 구축된다.

반도체/인버터에 대한 부하 변화 요건

NSR과 MSR의 부하 요건은 풍속의 큰 변화 때문에 매우 다르다. 이로 인해 부하 전류가 변화하고 따라서 2개의 컨버터의 반도체의 온도 부화 변화가 달라진다. 동작 지점 동시성을 위해서 MSR 전류의 출력 주파수 값은 0에 가깝다. 이것은 컨버터의 1개의 브랜치가 전체 전류를 전도시켜야 하고 2개의 다른 브랜치는 각각 절반의 전류만을 사용해야 한다는 것을 의미한다. 모든 6개의 컨버터 IGBT에 대한 손실의 동일한 분배는 더 이상 나타나지 않는다. 이러한 조건은 정의되지 않은 기간 동안 지속되고 따라서 컨버터 설계 시 고려해야 한다. NSR 전류의 기본 주파수는 50Hz에서 60Hz 사이이며, MSR의 기본 주파수는 0Hz에서 20Hz 사이의 범위이다. 한 주기 동안 동치의RMS 전류에 대한 NSR과 MSR에 대한 결과적인 접합 온도의 일반적인 특성을 설명한 것이다.
이것은 약 2K~3K의 NSR의 IGBT 접합에서 지속적으로 반복되는 온도 변동을 나타내며, MSR의 IGBT는 약 22K이다. IGBT 모듈은 트랙션(traction) 애플리케이션에서 사용되어 왔기 때문에 IGBT 모듈의 순환 부하 성능은 유한한 것으로 알려져 있다. 사용되는 IGBT 모듈의 주요한 2가지 고장 메커니즘은 중요하며 다음 절에서 설명한다.
일반적으로 인버터의 접합 온도는 온도 모델을 통해 계산된다. 칩 온도의 특성이 펄스 형태 전류의 온도 특성을 따른다면 0Hz를 상당히 초과하는 사인-형태의 출력 전류에 대한 대략적인 추산이 가능하다. 출력 전류가 0의 값에 가까워지면 이것은 더 이상 적용되지 않으며, 접합 온도는 전류의 특성에 가까워진다.

전력 순환으로 인한 고장 메커니즘

언급한 바와 같이 두 번째 영역에서 전력 주기로 인해 설명한 온도 변화가 접합과 본드 와이어에서 발생한다. 실리콘과 알루미늄의 확장 계수 차이로 인해 재료 내에서 마이크로-이동이 발생한다. 이로 인해 칩 표면과 본드 와이어의 연결 지점에 "본드 와이어 리프트 오프(Bond Wire Lift Off)"라고 하는 작은 크랙이 발생할 수 있다. 이러한 과정을  나타내었다.
접합 온도 상승 ΔTj에 따라 부하 전류의 듀티 사이클, 본드 와이어의 게이지, 부하 전류의 크기, 칩 게이지, 전력 주기의 정확한 수를 확보할 수 있다. 부하 변화 성능의 수학적인 개산을 확장 코핀 만손 법칙(Coffin Manson Law)에 따라 도출할 수 있다.
 다양한 온도 변화 ΔTj: 반도체의 접합 온도 조건의 전력 주기 곡선에서 인피니언에 의해 확인된 주기의 가능한 수를 나타낸 것이다. 곡선은 1200V 및 1700V IGBT 모듈을 위한 새로운 Fieldstop-Trench IGBT4에 적용되었다. 이러한 최신 반도체 기술을 통해 사용자들은 스위칭 동작을 최대 접합 온도 Tvjop = 150°C까지 사용할 수 있도록 해준다. 사용자는 이제 Tvjop = 125°C인 전통적인 반도체보다 높은 전류를 스위칭할 수 있으며, 전력 순환 성능을 동일한 전류 조건에서 4배까지 증가시킬 수 있다.
두 번째 영역에서 부하 순환 성능을 달성하기 위해서 DFIG의 요건에 따라 반도체의 표면은 금속적으로 보호된다. 이를 통해 수정체 구조를 손상시키지 않으면서 본드 파라미터의 포괄적인 최적화를 가능하게 한다.

열 순환으로 인한 고장 메커니즘

수 분 내의 부하 변화는 모듈 내의 다양한 재료로 이루어진 레이어 구조로 인해 다른 상당한 손상을 유발한다. IGBT 모듈의 일반적인 구조를 그림 7에 나타내었다. 이러한 종류의 부하 변화로 인해 IGBT 모듈은 다양한 재료 경계에 대해 온도 차이를 가지면서 가열된다. 구리, 세라믹, 실리콘, 알루미늄 등과 같은 재료는 상이한 온도 계수에 따라 확장된다.
수 분 내에서 지속적인 부하 변화로 인해 구리 클래드 기판과 베이스 플레이트 사이의 솔더 레이어에 피로가 유발된다. 결과적으로 솔더 레이어의 층간분리(delamination)가 나타나고, 이로 인해 칩과 모듈 케이스, 즉 베이스 플레이트 사이의 온도 저항 Rthjc이 발생한다.


회색 상자는 칩의 실장 위치를 표시한 것이다. 기판 솔더가 감소하면 칩 바로 아래의 온도 저항이 확실히 증가한다. 따라서 PrimePACK™ IGBT 모듈의 반도체는 기판 솔더의 층간분리가 많은 부하 주기에 대해서도 칩 바로 아래의 온도 저항에 영향을 미치지 않을 수 있도록 배치된다. 이전 모듈 세대에서는 예비 솔더와 부하 단말 접합부의 층간분리가 뚜렷하게 나타난다. 풍력 터빈을 위한 최신 IGBT 모듈의 경우, 이러한 단말들은 초음파 용접을 통해 구리 클래드 세라믹에 의해 연결된다.
그림 9에서 알 수 있듯이 용접 부하 단말과 DCB 의 구리 크래드 사이의 경계선이 더 이상 존재하지 않는다.
설명한 본드 접합부, 기판 솔더, 단말 접합 기술 등에 대한 개선은 풍력 터빈에 채용될 경우에 신뢰성을 상당히 증대시킨다.
풍력 터빈에서 모듈의 수명을 추정하기 위해서 바람의 발생 주기, 부하 전류의 결과적인 변화, 빈도 사이의 관계를 확인해야 한다. 이를 위해 다양한 방법들이 제공되고 있다. 이 단계에서 "레인 플로(rain flow)"에 대해 간략하게 설명한다.
이를 위해 모듈 베이스 플레이트의 온도를 다양한 동작 지점에서 측정한다. 이를 토대로 스택과 모듈 파라미터와 관련하여 제공되는 전력 손실로부터 도출된 접합 온도를 계산한다. 식 (1)을 통해 실제 전력의 순간 값 p(t)을 접합과 케이스 사이의 온도 저항과 곱하고 케이스 온도의 순간 값을 더하여 접합 온도의 순간 값 Tj (t)을 산출한다.

  Tj (t) = p(t)* Rthjc Tc (t)  (1)

인피니언의 마이크로프로세서 C166짋를 사용하여 시간에 따라 변화하는 온도를 계산하여 저장한다.
부하 변화 후에 온도 상승을 예측하기 위해서 서로에 대한 편차와 관련하여 저장된 온도 값들을 검토할 수 있다. 곡선 복제의 정확성은 스캔 빈도에 의해 결정된다. 온도 상승은 그 발생 빈도에 따라 증가한다. 전력 주기 다이어그램을 사용하여 수명에 대한 비중을 결정한다. "레인 플로" 방법을 사용하여 상승을 분석하고 이에 상응하는 주기를 결정할 수 있다. 이를 위해 온도-시간 기울기를 90° 회전시킨다. 선을 따라 빗방울이 떨어진다고 가정하면,
드롭 1은 하나의 최대값에서 보다 높은 최대값으로 떨어지게 된다. 이를 요약하여 나타내었다.

  1은 동일하게 높은 최대값을 통과한다.
  2는 보다 높은 최대 값을 통과한다.
  3은 보다 높은 최대 값을 통과한다.
  4는 드롭 2을 따라 흐른다.
  5는 드롭 1을 따라 흐른다.
  6은 벗어난다.
  7은 벗어난다.
  8은 드롭 6를 따라 흐른다.

따라서 온도 상승 ΔTjn의 값을 확인하여 기술한 바와 같이 수명을 결정한다.

클리어런스 및 크리피지 거리에 대한 요건

풍력 터빈은 해변이나 특히 해안 근처에 세워지고 공기 중의 습도와 염분이 높아지면, 전력 반도체 영역과 DC-버스 접합부에 불꽃 방전이 일반적으로 발생한다. 스위치 보드 캐비닛의 보호 정도에 따라 산업용 애플리케이션에서 사용되는 것과 같은 클리어런스 및 크리피지 거리는 충분하지 않다. DIN EN 60529에 따른 보호 수준이 증가함에 따라 시스템 비용 역시 현저히 증가한다. 3.3kV 차단 전압에 대해 충분한 하우징의 클리어런스 및 크리피지 거리를 제공할 뿐만 아니라 CTI 값이 >400(비교 추적 지수)인 PrimePACK™ 제품군의 IGBT 모듈은 새로운 표준을 설정하였으며 장기적인 측면에서 풍력 터빈 컨버터의 무고장 동작을 위한 안전한 솔루션을 제공한다. PrimePACKs™을 그림 3의 우측에 나타내었다.

/저/자/소/개

마이클 슬레븐(Michael Sleven)은 인피니언 테크놀로지스의 독일 바르슈타인 사이트의 산업 및 멀티마켓 사업부 IGBT 모듈 담당 기술 마케팅 부장이다.

<EPNC>

위 기사와 이미지 무단전제를 금지 

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분류: 기술동향
2009년 12월호
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