전력 전자의 중요 이슈 -열 관리-

 

전력 전자의  고질적인 이슈 중에 하나인 열 관리 문제에 대한 중요성 및 해결 방법에 대하여 포스팅해 보겠습니다. 

 

열관리를 위한 방열판

 - 열 관리의 중요성 -

 

전력 전자 장치에서 열 관리가 중요한 이유는 여러 가지가 있습니다:

 

1. 열 발생: 트랜지스터 및 다이오드와 같은 전력 전자 장치는 내부 저항으로 인해 작동 중에 열이 발생합니다. 열 발생량은 장치의 정격 전력, 스위칭 주파수, 부하 조건에 따라 달라집니다.

 

2. 온도 민감도: 전력 전자 장치는 온도 변화에 민감하며 과도한 열이 발생하면 오작동 또는 고장을 일으킬 수 있습니다. 특히 반도체는 너무 뜨거워지면 열 폭주를 일으킬 수 있습니다.

 

3. 효율성:고온은 저항을 증가시키고 전도도를 감소시켜 전력 전자 시스템의 효율을 떨어뜨릴 수 있습니다. 이로 인해 전력 손실이 증가하고, 전력 출력이 감소하며, 전반적인 효율이 저하될 수 있습니다.

 

4. 신뢰성:과도한 열은 전력 전자 장치의 수명을 단축시켜 유지보수 비용과 가동 중단 시간을 증가시킬 수 있습니다. 또한 치명적인 고장의 위험을 증가시켜 안전 위험과 막대한 재정적 손실을 초래할 수 있습니다.

 

- 열 관리 방법 -

 

전력 전자의 열 관리를 위해 현재 시장에는 여러 가지 해결 방법을 마련하고 있습니다.

이를 몇 가지로 정리하여 보겠습니다.

 

1. 방열판:

방열판은 트랜지스터 및 다이오드와 같은 전자 부품에서 발생하는 열을 발산하기 위해 전력 전자 장치에 사용되는 일반적인 열 관리 기술입니다. 방열판은 전자 부품에서 주변 환경으로 열을 흡수하여 전달하는 장치입니다.

방열판의 설계는 특정 애플리케이션과 방열해야 하는 열의 양에 따라 달라집니다. 방열판의 효율성을 결정하는 주요 요소로는 표면적, 열 전도성, 주변 환경으로 열을 전달하는 능력 등이 있습니다.

방열판은 알루미늄, 구리, 흑연 등 다양한 재료로 만들 수 있습니다. 이러한 소재는 열전도율이 높기 때문에 전자 부품에서 열을 효율적으로 전달할 수 있습니다. 알루미늄은 저렴하고 가벼우며 제조가 용이하기 때문에 많이 사용됩니다. 구리는 더 비싼 옵션이지만 알루미늄보다 열전도율이 높기 때문에 고성능 애플리케이션에 적합합니다.

방열판에는 패시브 및 액티브 방열판을 포함한 여러 유형의 방열판이 있습니다. 패시브 방열판은 자연 대류에 의존하여 전자 부품에서 열을 전달합니다. 반면 액티브 방열판은 팬이나 펌프를 사용하여 방열판의 공기 흐름을 증가시키고 냉각 효율을 개선합니다. 방열판의 디자인과 재질 외에도 다른 요인도 성능에 영향을 미칠 수 있습니다. 여기에는 방열판 핀 사이의 간격, 방열판의 방향, 주변 환경의 주변 온도 등이 포함됩니다. 전반적으로 방열판은 전력 전자 장치에서 중요한 열 관리 기술이며, 방열판의 설계와 효율성은 전자 시스템의 성능과 신뢰성에 큰 영향을 미칠 수 있습니다.

 

2. 팬:

팬은 방열판 또는 기타 냉각 구성 요소의 공기 흐름을 증가시켜 냉각 효율을 개선하기 위해 전력 전자 장치에 사용되는 일반적인 열 관리 기술입니다. 팬은 전자 부품에서 주변 환경으로 열을 전달하는 공기 흐름을 생성하는 방식으로 작동합니다.

축류 팬, 원심 팬, 교차 흐름 팬 등 파워 일렉트로닉스에 일반적으로 사용되는 팬에는 여러 가지 유형이 있습니다. 축류 팬은 가장 일반적인 유형으로 회전축과 평행하게 공기를 빨아들여 반대편으로 배출하는 방식으로 작동합니다. 원심 팬은 회전축에 수직으로 공기를 흡입하고 흡입구와 직각으로 공기를 배출하는 방식으로 작동합니다. 교차 흐름 팬은 회전축에 평행하게 공기를 흡입하여 팬의 길이를 따라 배출하는 방식으로 작동합니다.

팬의 효율성은 팬의 크기, 속도, 풍량에 따라 달라집니다. 공기 유량은 일반적으로 분당 입방 피트(CFM) 또는 시간당 입방미터(m³/h) 단위로 측정되며 팬이 주어진 시간 동안 이동할 수 있는 공기의 양을 결정합니다. 팬의 속도는 일반적으로 분당 회전 수(RPM)로 측정되며 팬 블레이드가 회전하는 속도를 결정합니다. 팬은 AC 또는 DC 전원을 사용할 수 있으며, 전력 소비가 적고 펄스폭 변조(PWM) 기술을 사용하여 쉽게 제어할 수 있는 DC 팬이 전력 전자 장치에서 더 일반적입니다. 또한 팬은 애플리케이션과 필요한 냉각량에 따라 표준형 또는 고속형 중 하나를 선택할 수 있습니다. 전반적으로 팬은 냉각 효율과 전자 시스템의 신뢰성을 크게 향상할 수 있는 전력 전자 장치에서 효과적이고 널리 사용되는 열 관리 기술입니다. 특정 애플리케이션에 적합한 팬 크기, 속도 및 풍속을 선택하면 최적의 냉각 성능을 달성하고 전자 부품의 장기적인 신뢰성을 보장할 수 있습니다.

 

3. 액체 냉각

액체 냉각은 전자 부품에서 발생하는 열을 방출하기 위해 전력 전자 장치에 사용되는 열 관리 기술입니다. 액체 냉각은 전자 부품과 접촉하는 열교환기를 통해 액체(일반적으로 물 또는 특수 냉각제)를 순환시키는 것입니다. 액체는 부품에서 열을 흡수하여 라디에이터로 전달하고, 라디에이터 핀을 통해 공기 또는 다른 냉각수를 통과시켜 냉각합니다.

액체 냉각은 공기 냉각보다 더 효과적일 수 있는데, 이는 액체가 공기보다 열용량이 높아 주어진 부피 또는 질량에 대해 더 많은 열 에너지를 흡수할 수 있기 때문입니다. 또한 액체 냉각은 더 넓은 면적에 걸쳐 더 균일한 냉각을 제공할 수 있으므로 고전력 애플리케이션에 유용할 수 있습니다. 전력 전자 장치에 사용되는 액체 냉각 시스템에는 단상, 2상, 침수 냉각 등 여러 가지 유형이 있습니다. 단상 액체 냉각 시스템은 액체 냉각수를 사용하여 전자 부품에서 열을 전달하는 반면, 2상 액체 냉각 시스템은 부품에서 열을 흡수하면 기화되는 냉각수를 사용한 다음 응축하여 다른 위치에서 열을 방출합니다. 침수 냉각 시스템은 전자 부품을 냉각수(일반적으로 미네랄 오일과 같은 비전도성 액체)에 직접 담그고 부품에서 직접 열을 흡수합니다. 액체 냉각 시스템에는 냉각수를 순환시키고 흐름을 관리하기 위해 펌프, 저장소 및 튜브와 같은 추가 구성 요소가 필요합니다. 또한 액체가 누출되어 전자 부품을 손상시키지 않도록 세심한 설계와 설치가 필요합니다.

액체 냉각은 파워 일렉트로닉스에서 효과적인 열 관리를 제공할 수 있지만 공랭식 냉각과 같은 다른 냉각 기술보다 더 비싸고 복잡할 수 있습니다. 일반적으로 다른 냉각 기술로 충분하지 않을 수 있는 고전력 애플리케이션에 사용됩니다.

 

4. 열 인터페이스 재료:

열 페이스트 또는 열 패드와 같은 열 인터페이스 재료는 전력 전자 장치와 방열판 사이의 열전달을 개선하는 데 사용됩니다. 열 인터페이스 재료는 틈새를 메우고 두 표면 사이의 접촉을 개선하여 냉각 효율을 향상할 수 있습니다.

 

-  끝맺음 -

 

전반적으로 전력 전자 장치에서 효과적인 열 관리는 안정적인 작동, 효율성 향상, 수명 연장을 보장하는 데 매우 중요합니다. 적절한 열 관리 기술을 사용하면 열 문제를 극복하고 전력 전자 시스템의 잠재력을 최대한 발휘할 수 있습니다.

이상, 전력전자의 고질적인 이슈중에 하나인 열 관리 문제에 대한 중요성 및 해결 방법에 대하여 포스팅 하였습니다.