2015 년도 한국철도학회 춘계학술대회 논문집 KSR2015S132

대용량 1C1M 주전력변환장치용 IGBT 수냉각 판 설계

Design of Water Cooling Plate for High Capacity 1C1M Main Power Conversion

Equipment

이재욱*, 김형균*†, 정원복**, 박영호*, 박성호*, 민평오*, 한정수*

J.W. Lee*, H.G. Kim*†, W.B. Jung**, Y.H. Park *, S.H. Park*, P.O. Min*, J.S. Han

Abstract Development of main power conversion equipment for high-speed is under research. The control scheme of new propulsion system is changed from 1C2M to 1C1M. And also, power capacity and operation speed are improved. IGBTs in main power conversion equipment need cooling equipment to dissipate heat. In this paper, water cooling method for IGBT cooling is suggested. The suggested cooling plate is designed that 4 IGBTs are to be placed on the same surface of cooling plate. A thermo-fluid analysis and performance test is carried out to confirm the cooling performance of the prototype cooling plate.

Keywords : High -speed train, KTX-Sancheon, Water Cooling, IGBT 초 록 현재 KTX-산천 고속열차에 적용된 추진시스템의 제어방식을 1C2M에서 1C1M 제어방식으로 변경하고, 추진시스템의 출력용량 및 운용속도 향상을 목표로 대용량 주전력변환장치의 개발이 진행되고 있다. 주전력변환장치에 사용되는 전력용 반도체 소자인 IGBT는 스위칭 시, 발생하는 열을 방열하기 위한 냉각장치가 필요하다. 본 논문에서는 IGBT의 냉각을 위해 수냉각 방식을 제안한다. 4개의 IGBT를 수냉각 판의 한쪽 면에 부착할 수 있는 구조로 설계하고 해석을 수행하였으며, 시제품을 제작하여 성능시험을 실시하였다.

주요어 : 고속열차, KTX-산천, 수냉각, IGBT

1. 서 론

현재 국내에서 영업운행 중인 KTX-산천 고속열차에 적용된 추진시스템의 제어방식은

1대의 컨버터/인버터 시스템에 2대의 견인전동기를 병렬로 연결하여 제어하는 1C2M 구조로

되어있으며, 컨버터/인버터 시스템에 사용되는 전력용 반도체 소자인 IGBT의 냉각을 위해

히트파이프를 이용한 강제 공냉 방식이 적용되어 있다.

추진시스템의 1C2M 제어방식은 병렬 운전에 따른 토크 불균형의 영향으로 인해 동일

대차 내 2축의 차륜경 관리 기준이 4mm이하로 요구되어 차량 운용 측면에서 유지보수 비용

상승 등의 단점이 있다.

† 교신저자: 현대로템 전장품개발팀(kimhg@hyundai-rotem.co.kr)

* 현대로템㈜

** 대홍기업㈜

2. 주전력변환장치의 구성

그림1. 1C1M 주전력변환장치의 구성

주전력변환장치의 구성은 그림1과 같다.

1대의 주전력변환장치 함에는 2대의 주전력변환장치로 구성되며, 각각의 주전력변환

장치는 주변압기 2차 권선에 병렬로 연결된 컨버터부와 견인전동기에 3상 전력을 공급하고

견인력을 제어하기 위한 인버터부로 구성되어 1대의 견인전동기를 개별 제어할 수 있도록

기획되었다.

각 컨버터부의 입력단은 주변압기 2차측으로부터 단상 교류전원 AC 1,400V를 공급받으며,

부스팅 제어를 통해 DC 링크 전압을 DC 2,800V로 제어한다. 인버터부는 DC 링크로부터

공급된 전력을 3상 교류 전력으로 변환하여 견인전동기에 0V ~ 2180V의 전압을 공급한다.

컨버터와 인버터부에 사용되는 IGBT는 DC 링크 전압(2,800V) 및 컨버터와 인버터의 전류

용량을 고려하여 4,500V/1,200A 정격을 가지는 소자를 선정하였다.

컨버터부는 입력전류의 용량을 고려하여 IGBT를 병렬회로 구조로 설계하였다.

Table 1 Specification of Main Power Conversion Equipment

Items Description

Converter

Rated Capacity 1388kW

Input Voltage/Current AC 1,400V/1076A

Output Voltage/Current DC 2,800V/496A

Inverter Rated Capacity 1,530kVA

Output Voltage/Current AC 0 ~ 2180V/542A

Control Method 2-Level PWM Control

Efficiency More than 0.95

Catenary Voltage AC 22.5kV ~ 29kV

3. 수냉각 시스템

KTX-산천에 적용된 IGBT 냉각시스템은 히트파이프 방식의 냉각기를 이용하여 IGBT에서

발생된 열을 냉각판을 통해 전도시킨 후 송풍팬을 이용하여 냉각시키는 방법이다. 하지만,

본 연구에서 개발을 진행중인 주전력변환장치의 출력 용량은 KTX-산천의 주전력변환장치

대비 10% 증가하였고, 이에 따른 냉각기의 사이즈 및 송풍팬의 사이즈 증가로 인해 냉각

시스템의 전체 사이즈 및 중량이 증가되는 문제가 예상되었다. 따라서, 본 연구에서는

기존의 히트파이프 냉각방식 대신 수냉각 방식의 적용을 검토하였다.

수냉각 방식 적용에 따라 열교환기, 냉각수 펌프, 냉각수 탱크, 냉각 유로 형성을 위한

배관 등의 냉각 부수장치가 추가적으로 필요하지만, 냉각시스템 전체 사이즈 및 중량은

기존 히트파이프 방식 대비 줄어들 것으로 예상된다.

그림 2(a)와 그림2(b)에 히트파이프 냉각방식과 수냉각 방식의 일반적인 구조를 보인다.

3.1 수냉각 판 설계

제안된 IGBT 냉각용 수냉각 판은 1개의 수냉각 판에 총 4개의 IGBT가 동일 면에 설치되는

구조로 설계하였으며, IGBT 당 손실은 2.5kW로 선정하였다. IGBT의 손실 계산은 IGBT

제조사에서 제공하는 시뮬레이션 프로그램에 컨버터와 인버터의 사양과 제어 파라미터를

입력하여 계산하였다.IGBT의 안정적인 동작을 위해 수 냉각판 설계에 요구되는 목표 성능은

표2와 같이 선정하였다.

Table 2 Design specification of water cooling plate

Items Description

Cooling Capacity Less than 20K / 10kW

Maximum Temperature at Surface Less than 100℃

Rate of water flow 20 ~ 30 ℓ/min

Temperature Difference between IGBT Less than 5℃

Ambient Temperature -40℃ ~ 45℃

수냉각 판 인입구와 수냉각판의 최대 발열점의 온도 편차는 20K 이내가 되고, IGBT간 온도

편차는 5℃ 이내가 되도록 설계 사양을 선정한 후, 주어진 10kW급 열부하를 기준으로 수냉각

판의 유로 구조를 설계 및 모델링 하였으며, 냉각수 유량은 20 ~ 30ℓ/min 범위에서 수냉각

판의 냉각 성능 예측을 위하여 열유동 해석을 수행하였다.

3.2 수냉각 판의 열 유동 해석

해석은 범용 프로그램인 CFDesign 2012를 사용하였으며, 해석조건은 IGBT를 모사한 영역에

10kW(IGBT당 2.5kW) 발열량이 공급되고, 글리콜 에틸렌이 55%인 수용액이 70℃의 온도로,

냉각수 유량을 20, 25 및 30 ℓ/min으로 공급될 때의 예상 성능을 검토하였다. 해석을 위하여

적용한 냉각수의 물성값은 밀도 1,055 kg/m3, 열 전도도 0.364 W/mk, 점성계수 0.00137 PaS를

적용하였다. 수냉각판은 알루미늄 6063 재질로 밀도 2,700 kg/m3, 정압비열 900 J/kgK, 열

전도도 218 W/mk를 적용하여 해석하였다. 해석을 위한 유동 조건은 비압축성 유체로서

k-epsilon 난류 모델을 사용하였다.

그림3은 수냉각판의 해석 모델링 형상을 나타낸다. 유로의 형태 및 경로는 IGBT간 온도

편차가 최소가 되도록 고려하였으며, 냉각성능 향상을 위해 나선 형태로 선정하였다.

그림3. 수냉각 판 해석 모델링 형상

그림4는 냉각수 유량이 25ℓ/min 및 냉각수 인입구 온도가 70℃ 조건으로 공급되고,

발열량이 10kW일 때의 해석을 통해 얻어진 수냉각 판의 예상 온도 분포 및 압력 손실을 나타

낸다.

4개의 IGBT 부착면 중 가장 높게 예측된 지점의 최대 온도는 90.2℃(냉각수 인입구 온도

대비 20.2K 상승)이며, 가장 낮은 지점의 온도는 89.2℃(냉각수 인입구 온도 대비 19.2K

상승)로 예측되었다. 이때의 압력 손실 값은 34.4kPa로 예상되었다.

그림4. 수냉각판 열유동 해석결과

그림5는 유량 공급 조건을 20, 25 및 30ℓ/min 으로 변화를 주었을 때, 수냉각 판의 온도

상승 및 압력 손실 예측 값을 보인다.

그림5. 유량변화에 따른 온도 상승 및 압력손실 예측 결과

상기에 기술된 해석 조건으로 수냉각 판의 예상 냉각 성능을 검토하기 위해 FEM 기반의

범용 해석프로그램을 이용하여 수행하였으며, 그 결과 설계 목표 사양을 만족하기 위해서는

최소 25ℓ/min 이상의 유량 공급이 필요하고, 최대 온도 상승 값은 20.2K로 예측되었다.

냉각수 인입구와 수냉각 판의 최대 온도 상승 지점 간의 예측된 온도 상승 값이 20.2K로,

목표하였던 20K를 미세하게 초과 하였으나, 성능에 문제가 없을 것으로 판단된다.

3.3 수냉각 판 성능시험

상기 3.2절의 해석결과를 검증하기 위해 수냉각 판 시제품을 제작하였으며, 온도상승

시험을 실시하였다. 시험을 위한 냉각판 온도측정 위치 및 시험 장치의 구성을 그림에 6에

나타냈다. 온도측정을 위해 K-type Thermocouple 21개를 사용하였으며, 측정위치는 수냉각판

표면에 13 point(#1~#13), 온도센서 설치 예정 위치에 1 point(#14), 냉각수 입출구에 각각

1 point(#15~16), Room Temperature 1 point(#17) 그리고 모사발열체와 수냉각판 접촉면의

온도 4 point(#18~#21)이다.

수냉각 판의 성능 검증을 위한 시험 장치의 구성은 실제 소자와 동일한 발열 면적을 갖도록

제작한 모사 발열체 블록에 막대형 전기저항 히터를 삽입한 후 모사 발열체 당 2.5kW가 일정

하게 발열되도록 전력조절기로 입력 전압을 조절한 후에 전력품질 분석기(CW250, YOKOGAWA)를

이용하여 입력 열량을 확인하였다.

ΔTMAX 값이 일정하게 유지될 때 냉각기의 성능을 확인하였으며, 온도 데이터 계측 장치

(DR230, YOKOGAWA)와 PC를 사용하여 실시간으로 온도 데이터를 확인하고 기록하였다.

그림6. 온도측정 위치 및 시험 장치의 구성

그림7은 수냉각 판 성능시험 결과를 나타낸다.

냉각수 유량을 25ℓ/min 조건으로 공급할 경우, 냉각수 인입구와 수냉각 판의 최대 온도

상승 지점 간의 온도차는 20.4K, 압력손실은 54.8kPa로 측정되었다. 압력 손실이 해석결과와

차이가 발생하는 것은 시제품에 적용된 냉각수 인입구와 토출구 측, 퀵 커플러에서 총 20kPa

의 압력 손실이 추가로 발생하였기 때문이다.

그림7. 수냉각판 성능시험 결과

4. 결 론

본 논문에서는 현재 개발을 진행중인 주전력변환장치에 적용 가능한 IGBT 냉각용 수냉각

판을 설계하기 위해 목표 사양을 선정하고, 선정된 사양을 만족하는 수냉각판의 유로 모델링

및 유동해석을 통해 최적의 유로 형상 및 유량 변화에 따른 온도 분포 및 압력손실을 예측

하였다.

또한, 해석 결과 검증을 위해 시제품을 제작하였으며, 시험을 통해 해석결과와 시험결과가

유사함을 확인하였다.

해석 및 시제품 성능시험을 통해 검증한 수냉각 판의 최대 온도 상승 값이 20.4K이므로

개발 중인 주전력변환장치의 IGBT의 발열량을 고려할 경우, 본 연구에서 설계된 수냉각 판을

적용할 수 있을 것으로 예상된다. 향후 유로의 형상 및 구조 등을 좀 더 최적화하여 온도

상승 값이 목표사양 20K 이내를 만족할 수 있도록 성능 개선에 관한 연구를 지속할 예정이다.

감사의 글

본 연구는 국토교통부 철도기술연구사업의연구비지원(과제번호 14RTRP-B067706-02)에 의해

수행되었습니다.

참고문헌

[1] 유성열, 목진성, 조태식, 김철주, “IGBT 스택용 10kW급 수냉각판 열유동 수치해석”,

한국철도학회 학술발표대회논문집, 1928-1302, 2011.10

[2] 우상균, 김태윤, 노애숙, 정은성, 한정수, “수냉각 방식을 적용한 430km/h급 추진제어

장치 설계”, 한국철도학회 학술발표대회논문집, 773-778, 2013

[3] 김경만, 우병국, 이용화, 강찬호, 전태원 “HEV용 인버터의 방열을 위한 수냉식 배관

구조” 전력전자학회논문지15(1), 27-34, 2010.2