1. 서 론

최근 다양한 산업 분야에서 SiC MOSFET 기반의 인버터 시스템이 널리 사용되고 있다^(1-2). 기존 시스템에 주로 적용되고 있는 Si IGBT와 비교하여 SiC MOSFET은 고전압 내성, 빠른 스위칭, 고온 동작 등의 특징이 있다^(3-5). 이러한 특징으로 SiC MOSFET 기반 인버터는 낮은 손실로 시스템의 효율을 향상시킬 수 있는 장점이 있다^(6-7). 반면에, SiC MOSFET은 온 저항이 작아 단락 내성에 취약하므로 2~3μs 이내에 단락을 검출해야 한다. 단락 보호 회로 설계, 게이트 드라이버 설계 등의 요소를 고려해야 인버터의 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 이를 위해서 더블 펄스 테스트를 통하여 단락 보호 회로를 설계 및 검증한다.

또한, 산업용 구동 시스템에서 SiC의 빠른 스위칭, 인버터의 물리적 구조, 배치, 설치 환경 등으로 모터 입력단 전압에 높은 dv/dt, 스파이크 등이 포함될 수 있다. 이는 모터 권선의 과전압 및 기생 성분에 의한 전자기 간섭 등으로 모터의 절연을 파괴하는 원인이 된다^(8-11). 모터의 절연 파괴를 방지하기 위한 방법으로는 게이트 구동 전압 및 저항 조절, 필터 추가 등이 있다^(12-18). 먼저 인버터 설계 단계에서 게이트 구동 전압이나 게이트 저항을 조절하여 dv/dt를 저감하는 기법이 연구되었다⁽¹²⁾. 이러한 기법은 인버터 출력단에 별도의 하드웨어를 추가하지 않으므로 부피 및 비용을 저감할 수 있다는 장점이 있지만, 과도한 게이트 저항 조절에 따른 스위칭 손실이 크게 발생한다. 스위칭 속도를 낮춰 손실이 커지면 SiC MOSFET의 장점을 활용한 구동이 어렵다는 단점이 있다. 또한, ⁽¹³⁾에서 능동 필터를 추가하여 모터 입력단의 dv/dt를 저감하는 기법이 연구되었다. ⁽¹⁴⁾에서는 모터 입력단의 최대 전압을 안전한 수준으로 클램핑하고 dv/dt를 조절하기 위해 에너지 회수 모듈을 사용한다. 이는 추가적인 센서 및 컨트롤러가 요구되어 시스템의 복잡성을 증가시킨다.

수동 필터를 이용한 dv/dt 저감 기법은 ^(15-18)에서 연구되었으며, 필터의 위치 및 종류에 따라 저감 특성이 달라진다. ⁽¹⁵⁾에서는 인버터 하드웨어의 스트레이 인덕턴스와 전원 케이블의 결합에 의한 임피던스 성분을 활용한 RC 필터가 제안되었다. 이러한 설계 기법은 부피가 크고 비용이 많이 드는 필터 인덕터를 제거할 수 있지만, 인버터 내의 인덕턴스를 추정해야하므로 정확도가 떨어진다. 공진 주파수를 스위칭 주파수 이하로 설정하여 선간 전압을 정현파 형태로 출력하기 위한 LC 필터는 ⁽¹⁶⁾에서 제안되었다. 이러한 LC 필터는 스위칭 주파수 이상의 신호를 차단하므로 필터의 부피와 비용 증가로 시스템의 전력 밀도를 감소시킨다. 또한, LCR 필터가 ^(17-19)에서 제안되었으며, 이는 LC 공진에 따른 과전압과 감쇠 저항에서의 손실을 고려해야 한다.

그림. 1. 모터 입력단 선간 전압의 특성 및 필터 설계를 위한 고려 요소

Fig. 1. Line-to-line voltage of motor input and components for design of output filter

본 논문은 SiC 기반 모터 구동 시스템에 적용 가능한 수동 필터의 설계를 제안한다. 모터를 구동할 때 National electric manufacturers association (NEMA, 미국전기제조업협회) 기준에 충족하기 위한 라이징 타임과 피크 전압을 분석한다. 또한, 선간 전압의 공진 주파수를 분석하여 LC 필터와 LCR 필터를 설계하며, 필터 유무에 따른 모터 입력단의 dv/dt를 비교한다. 설계된 필터들의 성능은 실험을 통해 검증한다.

2. 전압 반사에 의한 과전압 및 라이징 타임

모터 구동 시스템에서 주로 사용되는 PWM 기반 스위칭은 인버터의 열, 진동, 유전 스트레스 등을 증가시킨다. 최근 WBG 소자의 발전으로 스위칭 속도가 높아짐에 따라 이러한 스트레스에 의한 영향이 증가되고 있다. 그러나 최대 피크 전압, 라이징 타임, dv/dt 등은 케이블의 특성 및 모터의 절연 특성 등에 의해 차이가 발생한다.

NEMA에서는 대부분의 상황에서 신뢰할 수 있는 모터 구동을 보장하기 위한 실용적인 표준을 제시한다. NEMA의 MG-1-2009 IV 31에는 일반적인 구동용 모터에 대한 용어를 정의하여 고려할 사항들을 정리하였으며, 표 1과 같다. $V_{peak}$는 모터 단 선간 전압의 최대값이고, $V_{rated}$는 모터 단의 선간 정격 전압이다. 추가로 전압 반사 현상에 의해 전력 케이블의 길이를 고려해야 한다. 파동 전파 및 전압 반사 이론에 따라서 모터 입력단에서의 최대 전압을 계산하면 다음과 같다.

그림. 2. 출력 필터를 포함하는 SiC 인버터 기반 모터 구동 시스템 회로도 (a) 인버터 시스템 (b) LC 필터 (c) LCR 필터

Fig. 2. Configuration of SiC inverter-fed motor drive systems (a) Inverter system (b) LC filter (c) LCR filter

케이블의 길이 및 임피던스 성분에 의해 결정된다. $Γ_{c}$는 전압 반사 계수이며, 아래 식에 의해 1로 근사화할 수 있다.

모터 입력단 선간 정격 전압이 480V인 경우에 그림 1과 같이 피크 전압의 최대값은 1.488kV이며, 라이징 타임은 0.1μs 이상으로 동작해야 한다. 이를 기반으로 모터 선간 전압의 dv/dt를 계산하면 아래와 같다.

3. 출력 필터 설계

출력 필터는 그림 2.a와 같이 인버터와 케이블 사이에 추가되며, 모터의 절연 파괴 방지를 위한 NEMA 규격을 만족하도록 설계한다. 설계한 필터는 LC 필터와 LCR 필터를 설계하여 성능을 분석한다. 출력 필터를 최적으로 선정하기 위해 필터의 크기, 라이징 타임의 최소화 등을 고려하여 설계한다.

3.1 LC 필터

그림. 3. LC 필터 LCR 필터의 보드 선도

Fig. 3. Bode plot of LC filter and LCR filter

그림. 4. 실험 세트

Fig. 4. Experimental setup

표 2. 실험 파라미터

Table 2. Experimental parameters

Parameter	Value	Unit
DC voltage	680	$V_{dc}$
Switching frequency	8	kHz
Rated power	11	kW
Rated speed	1800	rpm
Rated torque	58.35	Nm
Stator resistance of IPMSM	0.349	Ω
Inductance of IPMSM	13.17, 15.5	mH
Pole	6	-

LC 필터는 그림 2.b와 같으며, 전달 함수를 아래와 같이 표현할 수 있다.

(4)

$G(s)=\dfrac{\omega^{2}}{s^{2}+\omega^{2}}=\dfrac{\dfrac{1}{L_{f}C_{f}}}{s^{2}+\dfrac{1}{L_{f}C_{f}}}$

여기서 ω는 필터의 공진 주파수로 $L_{f}$와 $C_{f}$로 표현할 수 있다.

(5)

$\omega =\sqrt{\dfrac{1}{L_{f}C_{f}}}$

위의 수식에서 인덕턴스에 의한 전압 강하를 고려하여 $L_{f}$를 설정하면, 특정 공진 주파수에 대한 $C_{f}$를 설정할 수 있다.

4. 실험 결과

제안하는 출력 필터 설계를 기반으로 모터 단의 dv/dt 저감에 대한 유효성을 검증하기 위해 그림 4와 같은 SiC 인버터 기반의 모터 구동 시스템을 제작하여 실험을 진행하였다. 실험 세트는 2-레벨 SiC 인버터, PMSM, 부하 모터인 3상 유도 전동기 구성되며, 실험 파라미터는 표 2와 같다. 실험에 사용한 SiC

그림. 5. 출력 필터를 적용하지 않은 경우의 선간 전압

Fig. 5. Line-to-line voltage without output filter

module은 Infineon 社의 FS28MR12W1M1H_B11이며, 게이트 드라이버는 Infineon 社의 1ED3491MU12M을 사용하였다. 이 때 인버터의 신뢰성을 확보하기 위해 더블 펄스 테스트를 통해 최적의 게이트 드라이버 회로로 설계하여 적용하였다.

그림 5는 출력 필터가 없는 경우의 인버터 출력단과 모터 입력단의 선간 전압을 나타낸 파형이다. 피크 전압은 1.219kV로 NEMA 기준에 만족하지만, 라이징 타임은 0.032μs로 0.1μs보다 아 기준을 충족하지 못한다. 이에 따라서 dv/dt도 16.8kV/μs로 기준보다 높은 값이므로, 모터의 절연 파괴를 방지하기 위해 출력 필터를 추가해야 한다. 모터 입력단의 선간 전압에서 공진 주파수는 약 2.97MHz이므로 출력 필터의 공진 주파수를 2.97MHz 이하로 설계하여 NEMA 기준을 충족하도록 하였다.

그림 6과 그림 7은 필터 커패시턴스가 2.2nF인 경우에 인덕턴스에 따른 변화를 분석한 파형이다. 먼저 인덕턴스가 50μH인 경우에는 그림 6과 같이 라이징 타임 0.492μs, dv/dt는 1.11kV/μs로 NEMA 기준을 충족한다. 그림 7과 같이 인덕턴스를 30μH로 저감한 경우에 모터 입력단 선간 전압에 발생하는 공진 주파수는 약 364.1kHz에서 444.9kHz로 증가하여 라이징 타임이 0.358μs로 저감되었다. 선간 전압의 공진 주파수를 2.98MHz와 가깝게 증가시켜 라이징 타임을 저감하기 위해 인덕턴스를 10μH로 저감하였으며, 그림 8, 그림 9와 같이 커패시턴스에 따른 변화를 분석하였다. 그림 8과 같이 커패시턴스가 2.2nF인 경우에는 공진 주파수가 약 3.57MHz로 출력 필터가 없는 경우보다 공진이 크게 발생하여 NEMA 기준을 충족하지 않는다. 또한, 커패시턴스를 10nF으로 설계한 경우에는 공진 주파수가 2.22MHz이지만, 라이징 타임은 0.054μs, dv/dt는 9.38kV/μs로 NEMA 기준을 충족하지 않는다.

그림. 6. 출력 필터가 $L_{f}$=50μH, $C_{f}$=2.2nF인 경우의 선간 전압

Fig. 6. Line-to-line voltage with output filter $L_{f}$=50μH, $C_{f}$=2.2nF

그림. 7. 출력 필터가 $L_{f}$=30μH, $C_{f}$=2.2nF인 경우의 선간 전압

Fig. 7. Line-to-line voltage with output filter $L_{f}$=30μH, $C_{f}$=2.2nF

모터 입력단 선간 전압의 라이징 타임을 최적으로 저감하기 위하여 LC 필터에 R을 추가하여 댐핑에 의해 공진 저감 효과를 추가하였다. 그림 10은 LCR 필터를 사용한 경우의 선간 전압을 나타낸 파형으로 각 필터의 값은 30μH, 2.2nF, 1kΩ으로 설계하였다. 이 때 필터의 저항은 식(7)에 의해 감쇠비를 1 이상으로 설정하기 위하여 234Ω 이상으로 설계하였다. 공진 주파수는 LC 필터를 적용한 경우와 비교하여 약 28.3% 증가하였으며, 라이징 타임은 0.291μs로 약 18.7% 저감되었다.

그림. 8. 출력 필터가 $L_{f}$=10μH, $C_{f}$=2.2nF인 경우의 선간 전압

Fig. 8. Line-to-line voltage with output filter $L_{f}$=10μH, $C_{f}$=2.2nF

그림. 9. 출력 필터가 $L_{f}$=10μH, $C_{f}$=10nF인 경우의 선간 전압

Fig. 9. Line-to-line voltage with output filter $L_{f}$=10μH, $C_{f}$=10nF

그림. 10. 출력 필터가 $L_{f}$=30μH, $C_{f}$=2.2nF, $R_{f}$=1kΩ인 경우의 선간 전압

Fig. 10. Line-to-line voltage with output filter $L_{f}$=30μH, $C_{f}$=2.2nF, $R_{f}$=1kΩ

표 3은 출력 필터별 성능을 분석한 표이다. 필터를 적용하지 않는 경우에 $V_{peak}$는 NEMA 규정을 충족하지만, 라이징 타임과 dv/dt를 고려하여 출력 필터를 설계해야 한다. 출력 필터는 동일한 LC 필터를 사용한 경우에 $R_{f}$의 유무에 따른 특성을 비교하였다. $R_{f}$를 포함하는 LCR 필터를 적용하면 tr이 저감되지만, 식(11)에 의해 약 8.2%의 추가적인 손실이 발생한다. 따라서 출력 필터를 설계할 때, 피크 전압, 라이징 타임, dv/dt 뿐만 아니라 라이징 타임과 감쇠비에 의한 손실을 적절하게 고려하여 출력 필터를 설계해야 한다.

5. 결 론

본 논문은 SiC 인버터 기반 모터 구동 시스템의 절연 파괴 방지를 위한 dv/dt 필터를 설계하였다. SiC 인버터는 빠른 스위칭 속도로 스위칭 손실을 저감할 수 있지만, 회로 내 기생 커패시턴스나 모터의 물리적 구조에 의해 전압 오버슈트가 발생하여 모터의 절연 파괴를 유발할 수 있다. 이러한 문제를 완화하기위한 방법으로는 게이트 저항 설계나 출력 필터 설계가 있다. 본 논문에서는 수동 출력 필터를 설계하였으며, 필터의 크기에 따른 특성을 분석하였다. 또한, 설계된 필터의 손실을 분석하여 최적의 필터를 선정하였다. 본 논문에서 설계한 필터의 성능은 실험을 통하여 검증하였다.