스타워즈의 제다이인 루크 스카이워커가 말한 유명한 대사가 있다. “나는 전력 변환기를 가지러 Tosche Station(타쉬 스테이션: 메를 토쉬가 소유하고 라제 로노즈너가 운영하는 타투인 앵커헤드 외곽에 있는 발전소이자 수리점)으로 들어가려고 했어!”
분명, 전력 변환기는 범용으로 활용되는 어플리케이션이다. Tatooine(타투인: 은하계의 바깥쪽 림에서 쌍둥이 태양을 도는 가혹한 사막 세계의 행성)에서 moisture farm(수분 농장: 타투인과 같은 건조한 행성에서 moisture vaporator라는 수분 수집장치를 통해 물을 추출하기 위해 세워진 농장)을 운영하든 지구에서 작동하는 자동차를 설계하든 전력 변환기는 필요하다.
Ansys Icepak (left) and Ansys Q3D Extractor (right)
이 장치는 사용하려는 장비의 필요에 따라 한 형태에서 다른 형태로 전력을 변환한다. 한 가지 중요한 예는 인버터인데, 인버터는 Insulated gate bipolar transistors(IGBTs)라고 불리는 반도체 스위치를 사용하여 직류(DC)를 교류(AC)로 변환시킨다.
Electrothermal Design of Power Converters for Electric
Propulsion Systems: Part 1.
IGBTs는 고전압 및 전류에서 작동하므로 전력 변환 어플리케이션에 적합하다. 또한 열 발생은 IGBT 신뢰성을 떨어뜨리기 때문에 스위치는 열 문제를 최소화하도록 적절히 설계되어야 한다. 범용 인쇄 회로 기판(PCBs)도 열 및 신뢰성 문제로 어려움을 겪는다.
전력 변환기 설계를 위한 시뮬레이션 워크플로우
인버터는 가정, 자동차, 사무실, 건물 및 전기 열차와 같은 고출력 교통 시스템의 AC 부하에 전력을 공급하는 많은 어플리케이션에서 지배적인 역할을 한다. 가변 주파수 드라이브에서는 인버터를 사용하여 AC 모터의 속도와 토크를 조절한다.
An Ansys Q3D Extractor simulation of the magnetic field on a
half bridge inverter that utilizes IGBTs.
Ansys Q3D Extractor와 Ansys Icepak을 사용하면 위와 같은 IGBT를 설계할 수 있다. 이러한 시뮬레이션 도구를 통해 엔지니어는 전력 시스템의 신뢰성과 성능을 최적화할 수 있다.
Electrothermal Design of Power Converters for Electric
Propulsion Systems: Part 2.
Q3D Extractor 및 Icepak은 전력 변환기의 전열 효과와 안전한 작동 온도를 예측하는 데 사용할 수 있어 중요한 신뢰성과 안정성 통찰력을 제공한다.
예를 들어, IGBT 설계로 인한 전력 손실은 Q3D Extractor에서 분석된 다음 Icepak으로 전송되어 결합된 전열 시뮬레이션을 수행한다. 시뮬레이션은 이러한 장치의 안전한 작동 온도를 예측하고 안정성과 신뢰성을 향상시킨다.
Electrothermal Design of Power Converters for Electric
Propulsion Systems: Part 3.
Ansys의 수석 기술자인 Eric Bracken은 “세계가 전동화 된 형태의 교통수단으로 점점 이동함에 따라 전열 시뮬레이션은 설계자가 실제 작동 조건의 스트레스 하에서 안정적으로 작동하는 차량 시스템을 만드는 데 필수적인 도구가 되었다.”라고 말한다.
전력 인버터의 열 영향은 또한 전기 연결부의 변형과 스트레스로 이어질 수 있다. 금속 피로와 크리프는 고온에서 더욱 두드러진다. 열 시뮬레이션 결과는 변환기의 구조적 신뢰성을 연구하기 위한 입력으로도 사용된다.
출처 : Ansys How to Design Power Converters with IGBTs
