Thermal Model 기반 IGBT 온도 해석

전력 손실에 의해 발생하는 열적 거동까지 포함한 해석을 수행한다.

Twin Builder는 전기 회로뿐만 아니라 Thermal Domain을 함께 구성할 수 있는 Multi-Domain 해석 환경을 제공하며, 이를 통해 디바이스의 전력 손실이 온도 상승으로 어떻게 이어지는지를 시스템 수준에서 분석할 수 있다. 본 사례에서는 IGBT 모델에 Thermal Pin을 연결하고, 외부 Heat sink를 포함한 열 회로를 구성하여 시간에 따른 온도 변화를 확인하였다.

해석 모델은 Average IGBT 모델을 기반으로 구성되었으며, 이는 스위칭 동작을 평균화하여 전력 손실을 계산하는 방식으로, 전체 시스템의 열적 거동을 효율적으로 분석하는 데 적합하다. 해당 모델은 Device Characterization을 통해 추출된 파라미터를 사용하며, 전류, 전압, 온도에 따른 손실 특성이 반영된다.

열 회로는 열저항(rth)과 열용량(cth)으로 구성된 등가 네트워크 형태로 구현되며, IGBT 및 내부 다이오드에서 발생하는 손실이 이 경로를 따라 Heat sink로 전달되는 구조를 가진다. 초기 조건은 등온 상태로 설정되며, 해석이 진행됨에 따라 디바이스의 온도가 점진적으로 상승하는 과정을 확인할 수 있다.

• THM2.T = IGBT부의 bottom Temperature
• THM1.T = Freewheeling Diode부의 Temperature
• THM3.T = Heatsink Temperature

해석 결과를 보면, IGBT에서 발생한 전력 손실에 의해 접합부 온도가 시간에 따라 증가하며, 일정 시간이 지난 후 열 평형 상태에 도달하는 것을 확인할 수 있다. 또한 IGBT와 내부 다이오드, 그리고 Heat sink 간의 온도 분포 차이를 통해 열 전달 경로와 열저항의 영향을 직관적으로 파악할 수 있다. 특히 스위칭 구간에서는 전압 및 전류 파형과 함께 손실이 발생하며, 이 손실이 누적되어 온도 상승으로 이어지는 전기-열 연계 특성을 확인할 수 있다.

이러한 해석은 단순히 회로 동작을 검증하는 것을 넘어, 디바이스 신뢰성 및 열 설계 관점에서 매우 중요한 의미를 가진다.
실제 시스템에서는 온도 상승이 소자의 성능 저하 및 수명 감소로 이어질 수 있기 때문에, 전기적 해석과 열 해석을 통합적으로 수행하는 것이 필수적이다.

결과적으로 본 사례를 통해 Twin Builder를 활용한 Multi-Physics 해석 환경에서, 전력 변환 시스템의 전기적 동작과 열적 거동을 동시에 고려한 통합 해석이 가능함을 확인할 수 있으며, 이는 실제 제품 설계 단계에서의 중요한 의사결정 근거로 활용될 수 있다.