Dauerpower 프로젝트에서 프라운호퍼 신뢰성 및 마이크로집적 연구소(Fraunhofer IZM)는 자동차 업계의 프로젝트 파트너들과 함께 냉각 성능이 개선된 전기 인버터를 개발하고 있다. 이 부품은 연속 부하 용량과 비용을 최적화하기 위해 설계되었다.

프라운호퍼 신뢰성 및 마이크로집적 연구소(Fraunhofer IZM)는 냉각 관리를 최적화하여 더 낮은 사용 온도에서 인버터를 작동할 수 있으며, 그 결과 전력 손실이 감소한다고 밝혔다. 정격 부하(full load) 활용 시간이 연장되는데다 필요한 반도체 면적도 줄일 수 있어 전기 모빌리티 전환에 필요한 비용을 추가로 절감할 수 있다.

전기 구동계의 성능은 인버터를 포함하는 전기 모터나 배터리, 파워 일렉트로닉스의 열 거동(thermal behavior)이 좌우한다. 인버터는 배터리의 직류를 전기 모터용 교류로 변환한다. 이러한 이유로 현재 양산되는 전기차에는 순수 실리콘이 아닌 탄화규소(silicon carbide) 소재 반도체가 사용되고 있다. 효율성이 높으며 크기가 작고 가볍기 때문이다. 높은 효율성으로 폐열이 적게 발생하므로 냉각 시스템의 소형화와 경량화도 가능해 전체 시스템의 효율성이 더욱 높아진다.

Fraunhofer IZM은 탄화규소 트랜지스터도 이용하지만 가공 과정에서 한 걸음 더 나아간다. ‘혁신적인 사전 패키징(prepackaging) 공정’에서 SiC 트랜지스터 두 개를 연구소의 세라믹 기판에 직접 적용한다. 사전 패키징을 마친 트랜지스터는 기존 PCB에 유연하게 내장될 수 있다. 두께가 얇고 필요한 자재가 감소하므로 열 노출 시 기계적인 스트레스가 적고 변형 거동의 통일성이 높아진다. 또한 세분화된(segmented) 세라믹 기판으로 제한된 공간을 최적으로 사용할 수 있어 자동차 업계의 특별한 요구사항에 최적으로 부합한다고 Fraunhofer IZM은 설명한다.

냉각도 최적화하여 효율성이 더욱 높아진다. 반도체는 물론 커패시터(capacitor)나 구리 전도체 등 수동 소자(passive component)를 냉각 시스템에 최대한 직접 통합하고자 한다. 냉각 효과가 클수록 칩 배열이 간단해지므로 더욱 저렴한 반도체 소재를 사용할 수 있다. 보도자료에서는 이 지점에 사용된 몇 가지 혁신을 소개한다. 그 중에는 구리 소재의 냉각 부품이 있으며, 이 부품은 3D 인쇄 공정으로 생산된다. 연구자들은 “냉각 부품을 생산하기 위한 3D 인쇄 공정에서 구리가 최초로 사용되어 기존의 알루미늄 방열판(heat sink)에 의존했던 것과 달리 구리의 우수한 열 전도성을 3D 인쇄의 완전한 유연성을 결합할 수 있다”며, “CNC 밀링(milling) 공정과 비교하면 3D 인쇄는 냉각 채널 설계와 관련된 자유도가 매우 높아 제한된 설치 공간을 최적으로 활용할 수 있다”고 설명했다.

이번 시제품은 시뮬레이션 단계를 거쳐 생산 중이다. 아울러 이 인버터의 모든 부품이 서로 영구적으로 연결되지 않고 서브 모듈에 통합되어 있으므로, 모듈화 성능이 높은 것도 특징이다. 서브 모듈은 더욱 쉽게 교체하고 수리할 수 있어 자원 절감에 도움이 된다.

이번 Dauerpower 프로젝트에는 Bosch와 Porsche가 공급업체로 참여했다. 시제품은 양산 방법을 찾기 위해 Porsche에서 대대적인 테스트 과정을 거치고 있다. 연구소 측은 Porsche와 파트너로 협력하므로 인버터는 높은 출력을 염두에 두고 설계되었다”며, “동 부품은 연속 출력 720kW, 정격 전력은 900A를 지원할 것”이라고 밝혔다.