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EPC9176 평가 보드를 사용한 진공 청소기 모터 드라이브 인버터 설계

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자료제공/EFFICIENT POWER CONVERSION

갈수록 더 높은 효율로 갈수록 더 컴팩트한 모터 드라이브 애플리케이션이 요구됨에 따라서 EPC는 진공 청소기 인버터로 최대의 성능을 달성하도록 eGaN IC를 채택한 레퍼런스 디자인으로서 EPC9176 보드를 개발했다. EPC9176은 3개 EPC23102를 기반으로 한 3위상 인버터 보드로서, 히트싱크를 사용하지 않고는 13ARMS 및 히트싱크를 사용하고서는 18ARMS를 제공할 수 있으며 IC의 온도 상승을 50℃ 아래로 유지한다. 또한 EPC9176 보드는 최대 250kHz에 이르는 PWM 스위칭 주파수를 지원한다.

그림 1은 이 인버터 보드의 모습을 보여준다. 컨트롤러 커넥터(J60)가 EPC9176의 신호를 외부적 디지털 마이크로컨트롤러 유닛으로 연결한다. 스위칭 셀은 대칭적 레이아웃으로 배치되었다. 션트 저항을 통해서 위상 출력 전류를 측정한다. 각기 위상으로 소스 경로로 검출 저항을 사용한다. 커넥터 J80을 통해서 호환 모터 샤프트 인코더나 홀 효과 센서를 연결할 수 있으며, 커넥터 J60을 통해서는 필터링을 거친 출력 신호를 마이크로컨트롤러 전달할 수 있다.

과전류(OC)가 발생되면 내부적 과전류 검출 회로가 트리거된다. 이 OC 신호는 J60 커넥터를 통해서 마이크로컨트롤러로 전달된다.

DC 링크 커패시터는 배터리와 인버터 사이에 변동적인 순간 전력을 밸런싱하고 인버터 고주파 전력 스위칭 회로에 의해서 발생되는 리플을 안정화한다. 높은 스위칭 주파수는 필요한 커패시턴스 값을 낮추도록 한다. DC 링크에 세라믹 커패시터와 전해 커패시터를 사용할 수 있으며, 높은 스위칭 주파수로 동작하냐 낮은 스위칭 주파수로 동작하냐에 따라서 사용자가 필터링을 최적화할 수 있다.

EPC9176은 자연 대류 냉각을 위해서 전용적인 히트싱크를 사용한다(그림 2). 이 히트싱크를 얇은 절연 소재 위에다 탑재함으로써 핀 도체가 노출된 다른 부품들과 단락을 일으키지 않도록 한다. eGaN IC 상으로 TIM(열 계면 물질)을 사용해서 다이와 히트싱크 사이의 열 전도를 향상시킨다. 이 보드에 사용된 TIM은 t-Global의 TG-A6200 x 0.5mm로서 전도도는 6.2W/m · K이다.

EPC9176은 3개 EPC23102 eGaN IC를 채택한 3위상 인버터이다. 갈륨 나이트라이드(GaN) 기술은 전자 이동도가 극히 높고 온도 계수가 낮다. EPC23102 eGaN IC는 정격 드레인-소스 온 저항(RDS(on))이 5.2mΩ(@25℃)이다.

또한 이 eGaN 디바이스는 측방향 구조에다 진성 바디 다이오드를 제거함으로써 게이트 전하 QG가 낮고 역 전도로 동작할 때 역 복구 전하 QRR이 제로이다. 비슷한 RDS(on)인 MOSFET과 비교해서 eGaN FET은 스위칭 손실이 5배 더 낮다. 그러므로 인버터가 더 높은 PWM 주파수로 더 짧은 데드 타임으로 동작할 수 있다.

또한 이 eGaN IC는 QFN 패키지로 동일 칩으로 상측 디바이스와 하측 디바이스를 포함함으로써 공통 소스 기생 인덕턴스를 낮추고, 칩을 곧바로 PCB 상으로 솔더링함으로써 전력 루프 기생 인덕턴스를 낮춘다. 소형화된 풋프린트는 보드 상으로 차지하는 면적을 줄임으로써 전력 밀도를 높인다. 그림 3은 EPC23102의 풋프린트를 보여준다.

[그림 3] EPC23102 eGaN 패키지의 하단면 풋프린트 모습

모터 드라이브 디자인

전원 스테이지의 eGaN IC는 최대 전압 VDS = 100V이다. dV/dt를 모터 드라이브 애플리케이션에 적합하게 10V/ns 미만으로 최적화했다.

각기 레그로 위상 션트 저항을 사용해서 양방향으로 전류를 검출한다. 션트 값은 1.0mΩ이고, 션트 상의 전압 강하를 50V/V 이득으로 증폭하고, 1.65V의 오프셋을 추가한다. 증폭기 대역폭은 400kHz로서, 높은 스위칭 주파수로 정확한 모터 제어 동작을 위해서 충분하다. 이렇게 증폭된 신호를 사용해서 위상 션트 저항 상에서 각기 레그의 과전류를 검출함으로써 아날로그 회로를 보호한다. J60을 통해서 마이크로컨트롤러로 액티브 로우 과전류 신호(OCPn)을 전송해서 결함을 적절히 처리한다.

그림 4는 과전류 동작을 포착한 오실로스코프 화면을 보여준다. 녹색 트레이스는 위상 전류이고, 빨간색 트레이스는 전류 증폭기 출력에서의 신호이다. 과전류 회로는 단방향이며 전류가 -32A 아래로 내려갈 때 트리거된다.

어느 위상으로든 32A가 넘는 음의 전류가 측정될 때 과전류(OC) 검출 회로가 트리거된다. 그러면 10ms RC 시간 상수에 의해서 지정된 짧은 시간 동안 액티브 로우 OCPn 신호가 로우(low)로 유지된다. 커넥터 J60을 통해서 마이크로컨트롤러의 지정된 인터럽트 핀으로 OCPn 신호를 전달한다. 이에 대해서 마이크로컨트롤러가 적절히 대응하도록 프로그램할 수 있다.

총 이득이 29.2mV/V인 저항 분할기 네트워크를 사용해서 DC 전원 전압과 각기 위상 전압을 측정한다. 인버터 보드 상의 온도 센서(U40 - AD590)가 다음과 같은 공식을 사용해서 J60 커넥터로 온도에 비례하는 전압을 피드백한다. 

온도 센서를 검증하기 위해서 적외선 카메라를 사용해서 EPC23102 케이스의 상단면 온도를 측정했다. 그림 5는 이 관계를 보여준다.

[그림 5] PCB 하단면에 탑재된 온도 센서와 대비해서 eGaN IC의 케이스 온도. 히트싱크를 사용하지 않고 자연 대류로 동작

시험 검증

시험 검증을 위해서 EPC9176을 3위상 BLDC 모터 드라이브 인버터로 구성하고 테스트를 실시했다. 그림 6은 EPC9176의 블록 다이어그램을 보여준다. 이 보드는 센서리스 모터 제어와 센서드 모터 제어 둘 다로 사용할 수 있다.

EPC9176으로 EPC9147C(모터 드라이브 컨트롤러 인터페이스 보드 - STMicroelectronics STM32G431RB Nucleo)를 연결했다. 이 보드는 25.2V 진공 청소기 모터를 센서리스 FOC 알고리즘과 공간 벡터 PWM(SVPWM)으로 구동하고 제어하도록 프로그램되었다. 인버터 스위칭 PWM은 80kHz로 설정되었고, 데드 타임은 50ns이다.

그림 7은 모터를 50krpm으로 작동할 때 위상 전류 파형을 보여준다. 인버터로 입력 전압 리플은 입력 커패시턴스와 PWN 주파수에 반비례한다. 필요로 하는 최대 입력 전압과 PWM 주파수에 따라서 필요한 최소 입력 커패시턴스를 계산할 수 있다. 

낮은 PWM 주파수일 때는(예를 들어서 20kHz) 전해 커패시터를 사용해야 하며, 필요로 하는 전해 커패시터의 숫자는 RMS 전류에 따라서 결정된다. 경험적 원칙으로서 위상 출력으로 흐르는 매 7ARMS마다 최소한 하나의 전해 커패시터를 사용하면 적당하다. PWM 주파수를 높이면 입력 커패시턴스로 세라믹 커패시터를 사용할 수 있다. 

예를 들어서 80kHz PWM 주파수이면 입력 전압과 전류 리플이 감소함으로써, 디자이너가 전해 커패시터를 없애고 세라믹 커패시터만 사용할 수 있다. 세라믹 커패시터는 더 작고, 가볍고, 신뢰성이 우수하다. 그러므로 인버터의 부피와 무게를 줄일 수 있다.

맺음말

EPC9176은 진공 청소기 애플리케이션 용으로 3개 EPC23102 eGaN IC를 채택한 48V 입력 400W 출력 인버터 보드이다. 높은 성능으로 3위상 BLDC 모터를 작동하기 위해서 필요한 모든 회로를 포함한다. eGaN의 높은 전력 밀도와 높은 전기 전도도에 의해서 이 보드는 자연 대류 패시브 히트싱크를 사용해서 온도 상승을 50℃ 아래로 유지하면서 각기 레그로 최대 18ARMS를 제공할 수 있으며 최대 250kHz PWM 스위칭 주파수를 지원한다. 모터 드라이브 시스템으로 전류 출력 파형 품질, 더 적은 토크 발진, 총 시스템 효율 측면에서 향상된 성능을 달성한다. 

[참고문헌]

[1] EFFICIENT POWER CONVERSION, 2021. [Online]. Available: https://epc-co.com/epc/Portals/0/epc/documents/schematics/EPC9173_schematic.pdf 

[2] EFFICIENT POWER CONVERSION, “Demonstration Board EPC9176 Quick Start Guide,” 2022. [Online]. Available: https://epc-co.com/epc/Portals/0/epc/documents/guides/EPC9176_qsg.pdf 

[3] EFFICIENT POWER CONVERSION, “EPC23102 ePower™ Stage IC” 2022. [Online]. Available: https://epc-co.com/epc/Portals/0/epc/documents/datasheets/EPC23102_preliminary.pdf 

[4] S. Musumeci, F. Mandrile, V. Barba, M. Palma, “Low-Voltage GaN FETs in Motor Control Application; Issues and Advantages: A Review,” Energies, 2021. 

[5] F. Mandrile, S. Musumeci, M. Palma, Dead Time Management in GaN Based Three-Phase Motor Drives, IEEE EPE, 2021.

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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