[편집자 주]전력반도체 설계 과정에서 열 손실과 온도 관리는 가장 민감한 화두다. 과거에는 PC에 설치한 전용 해석 툴을 돌리고, 컴퓨팅 자원 확보에 애를 먹었다. 반면에 최근 온라인 전력 시뮬레이션이 등장하면서 설계 환경이 완전히 달라지고 있다.온라인 전력 시뮬레이션은 웹 브라우저만 있으면 언제 어디서나 전력소자의 동작 조건을 가상으로 실험하고, 손실·온도 특성을 예측하는 서비스다. 별도 소프트웨어 설치 없이 클라우드 서버의 고성능 컴퓨팅 파워를 활용할 수 있다. 온라인 전력 시뮬레이터인 인피니언(Infineon)의 IPOSIM을 통해 온라인 전력 시뮬레이터에 대해 알아봤다.
 

온라인 전력 시뮬레이션이 가상 환경에서 전력소자의 동작 조건을 실험하고, 손실 및 온도 특성을 예측하며, 전력반도체 설계의 판도를 바꾸고 있다.

대표적인 온라인 전력 시뮬레이터는 인피니언(Infineon)의 IPOSIM다. PLECS® 기반의 엔진이 탑재돼 빠른 연산이 가능하며, 35개 이상의 모듈·디스크 토폴로지를 지원한다.

디자이너는 전환기·인버터·컨버터 등 원하는 회로를 고르고, 대상 디바이스를 최대 5개까지 동시에 비교 검증할 수 있다.

왜 온라인 전력 시뮬레이션이 중요할까.

우선 설계 초기 단계부터 손실과 온도를 정확히 예측하면 부품 선택 오류를 줄일 수 있다.

부적절한 선택은 실물 프로토타입 제작 후 재설계를 유발해 막대한 비용과 시간을 낭비하게 된다.

또한 시장 경쟁이 치열해지면서 ‘Time-to-Market’ 단축은 선택이 아닌 필수가 됐다.

클라우드 기반 시뮬레이션은 수십 분 내에 결과를 도출해 주어, 수일씩 소요되던 전통 방식 대비 수배 빠른 의사결정을 돕는다.

더불어 복잡한 부하 변화나 장기 동작 조건을 검증하기 위해서는 Steady-State, Load-Cycle, Lifetime Estimation과 같은 다양한 시뮬레이션 모드가 필요하다.

IPOSIM은 세 가지 모드를 제공해 단일 운전점·변동 부하·수명 예측을 모두 처리할 수 있다.

Steady-State 모드는 일정한 동작 조건에서 전도 손실·스위칭 손실·접합 온도를 계산한다.

Load-Cycle 모드는 사용자가 정의한 부하 프로파일을 업로드해 실제 운전 조건을 반영한 열 리플을 분석한다.

Lifetime Estimation 서비스는 단백질 수명 예측 알고리즘을 적용해, 모듈의 예상 사용 주기를 산출한다. 이를 통해 제품 신뢰성 목표에 맞춘 설계를 손쉽게 검증할 수 있다.

온라인 전력 시뮬레이션의 또 다른 이점은 협업 효율성이다.

IPOSIM에서는 ‘딥링크’를 통해 특정 시뮬레이션 설정을 유니크 URL로 저장·공유할 수 있다. 팀원 간 결과 재현과 피드백 주고받기가 간편해진다.

여기에 Gate Driver 추천 기능을 더하면 설계 생산성을 한층 끌어올릴 수 있다.

선택한 파워 디바이스와 동작 조건을 바탕으로 최적의 드라이버를 제안해 주니, 별도 검색 노력이 크게 줄어든다.

결과 분석 시 가독성도 뛰어나다.

온도·손실·전류 변화 그래프를 클릭하면 확대·측정 커서·줌인 기능을 활용할 수 있어, 데이터 해석과 보고서 작성이 수월하다.

완성된 시뮬레이션 결과는 엑셀 파일로 다운로드하거나 PDF 리포트로 저장할 수 있다. IPOSIM이 제공하는 데이터시트와 연계하면, 최종 설계 검토 단계에서 부족함이 없다.

추가로 파라미터 스윕 기능을 이용해 손실·평균 온도 대비 RMS 전류 임계값을 자동 계산할 수도 있다. 대량의 연산 과정을 일일이 수작업하지 않아도 돼 설계 최적화 속도가 가속된다.

기업들은 이처럼 빠르고 정밀한 시뮬레이션 환경을 통해 설계 리스크를 미연에 방지하고, 제품 품질을 높이며, 출시 기간을 단축할 수 있다.

실제 어느 전장용 인버터 제조사는 온라인 시뮬레이션 도입 후 프로토타입 제작 횟수를 40% 절감하고, 개발 기간을 30% 단축했다고 전해진다.

국내 중소 기업 역시 클라우드 기반 전력 시뮬레이션을 도입해 별도 하드웨어 투자 없이 새로운 모터 드라이브 설계에 성공했다. 초기 설계 단계에서 정밀한 열 해석이 가능해진 덕분이다.

온라인 전력 시뮬레이션은 곧 디지털 전환의 핵심 축이다. IoT·AI 기반 스마트 공정과 연계해, 장비 운영 중에도 실시간 시뮬레이션을 돌려 이상 징후를 예측·제어하는 미래도 머지않았다.

앞으로 5G·엣지 컴퓨팅이 보편화되면, 현장에서도 스마트폰으로 빠르게 전력 시뮬레이션을 실행할 수 있다. 설계자·운영자·연구자 모두가 언제 어디서나 전력 소자의 행동을 가시화해 최적화할 수 있는 시대가 열릴 것으로 기대된다.

업계 관계자는 “전력 반도체 시장이 연평균 두 자릿수 성장률을 기록하는 가운데, 온라인 전력 시뮬레이션은 기술 격차를 단숨에 좁히는 무기다. 클라우드 기반 해석 환경을 얼마나 잘 활용하느냐가 미래 경쟁력을 좌우할 것”이라며, “이제 설계자는 더 이상 복잡한 로컬 설치나 라이선스 관리에 얽매이지 않는다. 웹 브라우저만 켜면 되는 온라인 전력 시뮬레이션이 곧 ‘새로운 표준’으로 자리 잡을 것”이라고 전했다.