VVVF(Variable Voltage Variable Frequency) 인버터로 대표되는 전동기 제어의 고효율화, 회생 브레이크의 도입, 장치의 소형· 경량화 등 적극적이고도 꾸준히 철도환경부하를 낮추는 연구를 해 온 기업으로 미쓰비시전기㈜가 손꼽힌다. 현재는 전기제품의 고효율· 고성능화, 차량제어의 고도화, 전력저장시스템의 유효활용과 같은 개발을 진행중이다. 미쓰비시전기가철도차량용전기제품에서 전력효율을 높인 사례와 전망을 소개한다.
최신 철도 차량용 주 전동기는 차량 고속화와 주 전동기의 고출력화에 따른 높은 토크Torque· 고속 회전 성능 외에도 ▲유지 보수 저감 ▲환경 부하 억제를 위한 에너지 절약 ▲쾌적성 향상을 목적으로 한 저소음 등의 요구를 충족해야 한다. 주 전동기의 방향성은 <그림 1>에서 보는 바와 같다. 이를 만족하는 것이 전체 밀폐형 주 전동기이며, 이어서 그 구조의 특징과 시험 결과를 간단히 설명한다.
전체 밀폐형 주 전동기 전체 밀폐형 주 전동기는 저소음, 유지 보수 저감이라는 이점이 기대된다. 그러나 기존 통풍 냉각 방식에 비해 방열성이 나쁘기에 냉각 효율을 높이고 발열량을 낮춰야 한다. 미쓰비시전기에서 개발· 실용화한 전체 밀폐형 주 전동기는 외선外扇팬이 있는 자기 통풍식 유도전동기다. 냉각 방식으로 <그림 2>에서 보듯이 전폐외선 부착 내기 순환 방식을 채용했으며, 내부 냉각풍 순환 경로와 외부 냉각풍 순환 경로를 통해 내부와 외부의 냉각풍을 순환시켜 냉각 효율을 높였다.
동시에 표면에 냉각팬을 설치해 냉각 효율을 더욱 높인 구조다. 여기다 고정자 권선의 도체 면적을 넓히고 회전자 도체 재질을 변경하는 방법을 강구해 발열량을 낮춤으로써 주 전동기 각 부의 온도 상승을 억제하는 한편, 정격 효율을 개방형 주 전동기의 90~92%에서 94~95%까지 높여 에너지 절약도 함께 달성했다. 한편, 냉각 구조는 통풍· 열 해석을 이용해 최적의 구조를 찾으며, <그림 3>은 통풍· 열 해석 모델의 한 예다. 앞서 설명한 대로 주 전동기 내에 내선內扇팬이 있는데, 이 내선 팬에서 발생하는 바람 소리는 외부와 차폐함으로써 소음을 줄였다. 외선 팬에서 발생하는 바람 소리로 말미암은 소음은 외선의 날개 형상과 환기구 형상을 적정화해 해결했다. 게다가 이미 설명한 열 교환율을 높인 통풍로 구조의 채용으로 외선 팬의 풍량을 적정하게 해 저소음화와 소형경량화를 함께 추구함으로써 개방형에 비해 소음을 상당히 줄였다.
주 전동기의 발전 방향 전체 밀폐형 주 전동기는 차량에 적용한 지 7년이상 지난 지금까지 순조롭게 가동 중이다. 앞으로 지금보다 더 냉각 효율을 높인 구조로 한층 더 작고 가볍게, 동시에 한층 더 소음은 줄이고 효율은 높인 제품을 개발해 나갈 예정이다.
철도 차량용 파워 디바이스 동향 전철 시장에 부는 고내압高耐壓모듈에 대한 요구로는 ▲높은 신뢰성은 물론 ▲더욱 큰 대전력 용량 ▲저전력 손실 ▲고온으로 확대되는 동작 온도에 대응 등이 있다. 고성능인 고내압 모듈은 손실 저감, 높은 파괴 내량, 긴 수명 등 세 항목을 더욱 높은 수준으로 균형 있게 실현해야 하며, 이를 위해 새로운 파워 칩 기술과 패키지 구조 설계 기술이 필요하다. 미쓰비시전기는 이러한 시장 요구에 대응해 한층 높은 고성능을 목표로 3.3㎸/6.5㎸ 내압의 새로운 HVIPM(High Voltage Intelligent Power Module)인 R시리즈 IPM을 개발했다. 여기에 차세대 파워 디바이스로 기대되는 탄화규소(SiC: Silicon Carbide) 디바이스도 적극 개발 중이다. 여기서는 R시리즈 HVIPM과 개발 중인 SiC 디바이스의 특징 그리고 평가 결과를 소개한다.
R시리즈 HVIPM R시리즈 HVIPM은 다음과 같은 설계 콘셉트를 기본으로 개발했다. 전기적 특성은 3.3㎸ 내압을 중심으로 설명한다. IGBT 칩 기술로 손실 저감 | R시리즈의 IGBT 칩은 기존 PT(Punch Through)에서 새로운 LPT(Light Punch Through) 구조로 바꿔 셀 구조를 미세화하고 최적화해 온On 전압(VCE(sat))을 더욱 낮췄다. <그림 4>는 VCE(sat)-Eoff의 트레이드 오프 곡선(Trade-off Curve)으로, 기존 HVIPM과 동일한 Eoff로 비교했을 때 VCE(sat)가 25% 저감했음을 알 수 있다. 동작 온도 범위 확대 | 기존 HVIPM의 동작 온도 범위는 IGBT와 Diode의 전력 손실 증가에 따른 열 파괴, 패키지 구성 재료의 온도 제약 등과 같은 이유로 -40℃~125℃로 제한됐다. 이번에 전력 손실을 줄임으로써 고온 동작이 가능한 새로운 구조의 IGBT와 Diode를 채용하고, 모듈 내 절연을 확보하기 위한 충진재(실리콘 겔)에 새로운 재료를 적용함으로써 차단 내량(Reverse Bias Safe Operating Area: RBSOA)을 비롯한 동작 온도 범위를 -50℃~150℃로 확대했다. 정격 전류 향상 | R시리즈는 VCE(sat)-Eoff의 트레이드오프를 기존 대비 약 25% 개선했으며, 3.3㎸내압의 R시리즈 HVIPM의 정격 전류는 기존 1200A에 비해 25% 높인 1500A다. 또한, 통전 시 모듈 내 주 전극 발열을 억제하고자 내부 배선 구조를 최적으로 설계해 배선 저항을 기존 대비 50% 낮춤으로써 정격 전류를 높였다.
보호 기능의 정확도 향상 | 과전류 보호(OC), 단락 보호(SC), 과열 보호(OT)를 위해 R시리즈는 전류 검출 및 온도 검출용 센싱부를 IGBT 칩 자체에 내장하고, HVIPM의 제어 회로에 탑재한 전용 IC와 조합해 높은 정확도로 응답성이 좋은 보호 동작을 실현했다.
<그림 5>는 R시리즈 HVIPM의 온 칩 온도 센서의 검출 정확도를 나타낸 것이다. IR(적외선 방사)카메라로 측정한 칩 표면 온도와 온 칩 온도 센서로 측정한 결과를 비교해 전체 온도 영역에서 높은 정확도로 칩 온도를 검출함을 확인했다. 높은 파괴 내량· 긴 수명 설계 | 제품이 적용되는 시장의 사회적 중요성을 생각하면 HVIPM에는 높은 신뢰성이 요구된다. 안전 동작 영역에서 충분한 파괴 내량을 가져야 한다는 것도 그중 하나로 열거되는 내용이다. R시리즈에서는 최대 접합 온도 150℃에서 IGBT에는 정격 전류의 3배(2500V/4500A)의 차단 내량 시험을, Diode에는 정격 전류의 2.5배(2500V/4000A)의 역 회복 내량 시험을 실시했다. 그 결과, 동작 파형에서 진동발생 등 이상한 거동 없이 안정되게 동작함을 확인했다. 또한, 모듈 내 병렬 접속한 칩 사이의 전류 불균형이나 방열 불균형을 개선하고자 시뮬레이션 기술을 이용해 모듈 내 전류 분류 해석과 열 해석을 행해 와이어 본딩, 칩 배치 등 최적화된 패키지 구조로 수명을 늘였다.
실리콘(Si)에서 탄화규소(SiC)로 철도 차량용 파워 디바이스는 지금까지 비약적으로 발전해 왔으나, 실리콘(Si) 디바이스를 이용한 고성능화는 최근 들어 포화 경향을 보인다. 이 때문에 Si와 비교해 손실이 낮고 고온에서 동작하는 탄화규소(SiC)가 차세대 파워 디바이스 재료로 기대를 모은다. 미쓰비시전기는 SiC-MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), SiCSBD(Schottky Barrier Diode) 개발을 진행했으며, 1.2㎸ 내압의 SiC-MOSFET와 SiC-SBD를 조합한 SiC 인버터로 2006년 세계 최초로 3.7㎾ 정격 삼상모터 구동에 성공했다. 2008년에는 11㎾급 SiC 인버터를 개발해 Si 인버터 대비 체적에서 75% 저감, 손실에서 70% 저감을 달성했다. 지금보다 더 높은 내압화 개발도 진행 중이며, 1.7㎸ 내압 SiCMOSFET에서 온 저항이 낮은 동시에 스위칭 손실을 낮출 수 있음을 확인했다. 한편, SiC-SBD와 Si-IGBT를 조합한 하이브리드구조의 정격 1.2㎄/1.7㎸ 대용량 모듈(2소자)을 개발했다. 이 모듈은 Si 디바이스 모듈과 비교해 IGBT의 턴 온 손실을 55%, Diode의 역 회복 손실을 95% 저감한다. 이 모듈 3개를 이용한 인버터로 철도 차량용 삼상 모터를 구동시켜 출력 300㎾를 얻을 수 있음을 세계 최초로 실증했다. 이 인버터는 기존 Si 인버터와 비교해 전력 손실을 최대 28% 줄이며, 실제 주행을 상정한 평균 손실에서도 18% 줄인다(<그림 6> 참조).
파워 모듈의 향후 전개 R시리즈 HVIPM과 개발 중인 SiC 디바이스 등 손실이 낮고 고온에서 동작할 수 있는 파워 모듈을 철도 차량용 전력 변환 장치에 응용하면 에너지를 크게 절약하는 동시에 적용 장치의 출력을 높일 수 있다. 또한 ▲냉각기의 소형화 ▲환경 부하가 작은 냉매의 적용을 기대할 수 있으며, 여기에 환경을 생각한 전력 변환 장치가 할 수 있는 효과도 있다. 앞으로 철도 차량용 파워 디바이스의 성능은 더욱 높아질 것이다.
이차전지의 철도 차량 활용 최근 리튬 이온 전지를 비롯한 전력 저장 디바이스의 성능이 향상되고, 산업 용도로도 적용하기 시작하면서 회생 에너지 흡수, 가선 전압의 보완 용도 등 전기철도에 적용하는 방안도 검토 중이다. 미쓰비시전기에서도 전력 저장 디바이스를 이용한 철도차량용 시스템을 개발하고 있으며, 일부는 이미 실제 차량에서 시험을 마치고 영업용 차량 탑재가 가능한 단계로까지 진행했다. 여기서는 미쓰비시전기에서 전력 저장 디바이스를 전기 철도에 응용한 사례를 소개한다. 미쓰비시전기는 전력 저장 디바이스를 ▲잉여 회생 전력 흡수 시스템 ▲백업 전원으로 이용 ▲축전지 차 등 세 가지 용도로 이용하고자 각각에 대해 개발과 실제 차량 검증을 하고 있다. 각 용도별로 상세하게 살펴보자. 잉여 회생 전력 흡수 시스템 | 전차가 감속할 때 모터를 발전기로 이용해 브레이크 시 발생하는 에너지를 가선으로 다시 보내는 회생 브레이크를 이용하나, 같은 노선을 주행하는 열차의 부하 소비가 적으면 회생 가능한 일부 전력만 가선으로 보내고 나머지는 기계 브레이크에 의해 열로 발산된다. 이렇게 열로 발산되는 에너지를 유효하게 활용하기 위해, <그림 7>에서 보듯이 차량에 전력 저장 디바이스를 탑재해 브레이크 시에 회생 전력의 일부를 회수하고, 역행 시에 그 전력을 소비함으로써 전체 에너지 소비량을 줄였다. 또한, 회생 브레이크를 안정적으로 확보해 차량 성능을 높였다. 미쓰비시전기에서는 실제차량에 전력저장디바이스, 축전 전력 제어를 위한 전력 변환 장치 등을 탑재해 회생전력향상의 개선효과를 확인했다.
한편, 전력 저장 디바이스로 에너지 밀도, 출력 밀도가 큰 리튬 이온 전지를 채용했다. 그 결과 위 시스템이 유효하게 동작함을 확인했다. 또한, 주행 시험의 일례로 회생률이 2~5% 개선됨을 확인했다. 백업 전원으로 이용 | 가선 정차 시, 본선 상의 열차가 오도 가도 못해 승객이 차 내에 갇히고, 또 열차 운행에 혼선이 생기는 일을 막고자 가장 가까운 역까지 자력으로 회송하기 위한 백업 전원으로 전력 저장 디바이스를 이용한다. 미쓰비시전기에서는 이 백업 전원을 이용한 주 회로 시스템의 동작을 시험 설비에서 검증한 결과, 양호하게 동작함을 확인했다. 축전지 차 | <그림 8>은 축전지 차 시스템의 개략적인 구성도다. 이 시스템은 비전력화 구간을 주행하는 차세대 차량으로, 기존 기동차와 비교해 CO₂저감, 배출가스 제로, 저소음을 목적으로 개발을 진행해 왔다. 특징은 다음과 같다.
· 비전력화 구간은 전력 저장 디바이스를 전원으로 주행하며, 전력화 구간/비전력화 구간의 직통 운전이 가능. · 전력화 구간에서는 전력 저장 디바이스와 가선에서 받은 전력을 함께 쓰는, 이른바 가선 하이브리드 시스템으로 동작 가능. · 전력 저장 디바이스 이상 시, 이를 개방해 가선에서 받은 전력만으로 주행할 수 있어 만일의 사태에 대비한 시스템. · 비전력화 구간에서 시스템효율을 높인 회로구성.
미쓰비시전기에서는 이 축전지 차의 주 회로 시스템의 동작을 시험 설비에서 검증한 결과, 양호하게 동작함을 확인했다.
디젤 하이브리드 개발 앞서 설명한 대로 미쓰비시전기에서는 잉여 회생전력 흡수 시스템, 백업 전원, 축전지 차, 이 세 용도에 대해 시스템 검증을 실시해 각각의 동작이 양호함을 확인했다. 앞으로 지금까지의 검증 결과를 발판삼아 영업용 차량에 적용해 나갈 예정이다. 한편, 설명한 것과는 다른 시스템으로, 디젤 엔진과 전력 저장 디바이스를 병용한 디젤 하이브리드시스템이 주목받고 있다. 이 시스템은 전력 저장 디바이스를 백업으로 해 엔진을 고효율 상태로 운전하며, 또 열차 브레이크 시의 회생 전력을 회수함으로써 기존 기동차 효율을 높일 수 있다. 시리즈 하이브리드 형태에서는 기계 부품 수를 줄여 보수를 줄일 수도 있다. 미쓰비시전기에서는 이 디젤 하이브리드 시스템도 향후 개발할 예정이다.
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