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파워 스티어링에 GaN ePower™ IC 활용

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파워 스티어링은 자동차에 널리 사용되며, 완전 자동화 물류 창고에서 사용되는 무인 운반 차량 같은 산업용 애플리케이션에도 사용된다. 이 애플리케이션으로 전력 전자 컨버터를 설계할 때 갈륨 나이트라이드(GaN) 기술을 사용해서 많은 혁신들이 가능하다. GaN 디바이스는 우수한 속도와 집적도에 의해서 시스템 크기를 줄이고 정확도와 효율을 높일 수 있다.

글/Marco Palma, Director of Motor Drive Systems and Applications

최신 자동차들은 무게가 늘어나고 전방 타이어의 폭이 넓어짐으로써 어떠한 보조를 받지 않고 조향을 하기가 어려워졌다. 운전자가 조작을 위해서 그만큼 더 많은 힘이 들기 때문이다. 이러한 이유에서 수년 전부터 파워 스티어링(동력 조향장치)이 도입되어 왔다. 처음에는 운전자 보조를 위해서 유압식 시스템을 사용했다. 다시 말해서 항상 가동 상태인 펌프를 사용해서 이 회로에 사용되는 액체로 필요한 압력을 제공했다. 하지만 배기가스를 줄이기 위한 정부 규정 때문에 자동차 제조사들이 전동 파워 스티어링(EPS)으로 전환해야 하게 되었다. 

EPS는 유압식 시스템을 전기 모터로 교체해서 필요할 때만 운전자를 보조한다. 디지털 제어를 통해서 그때그때 운전 상황에 따라서 보조를 제어할 수 있다. 그런데 이 시스템은 설계 시에 몇 가지 제약을 수반한다. 그 중의 하나가, 운전자가 타이어로부터 촉각 피드백이 없어지는 것을 원치 않는다는 것이다. 이 점은 대형 차량이나 트럭으로 특히 그렇다. 또 다른 제약은 특히 무인 운반 차량으로 안전 규정과 관련된 것이다. 안전 규정을 준수하려면 효율적이고 정확하고 중복적인 시스템을 도입해야 한다. GaN 기술을 사용해서 이러한 문제들을 해결할 수 있다.

다양한 타입의 EPS 

EPS는 운전자가 스티어링 휠을 조작할 때만 보조를 하므로 에너지 소모를 줄일 수 있다. EPS의 단점은, ‘전통적인’ 유압식 파워 스티어링의 촉각 느낌을 흉내내기가 어렵다는 것이다. EPS의 작동 원리는 간단하다. 스티어링 컬럼으로 탑재된 센서가 스티어링 각도와 토크를 감지하고, ECU(전자 제어 유닛)가 이 신호들을 분석해서 얼마만큼의 보조가 필요한지 계산하고, 스티어링 컬럼 또는 랙에 탑재된 전기 모터가 ECU로부터 지정된 양만큼의 힘으로 보조를 한다. 작동 방식에 따라서 양산 차량으로 몇 가지 타입의 EPS가 주로 사용되고 있다. 대표적인 것으로서 다음과 같은 것들을 들 수 있다:

(1) 컬럼 타입 EPS(column-type EPS)

이 타입의 EPS는 소형 이코노미 차량에 주로 많이 사용된다. 스티어링 컬럼으로 모터를 탑재하고 스티어링 샤프트를 곧바로 구동한다. 컬럼 타입 EPS(column-type EPS)의 장점은 구조가 단순하고 가격대가 낮다는 것이다. 모터가 대쉬보드 내부에 탑재되므로 물이나 극단적인 온도에 노출되지 않는다. 이 점에 있어서 생산 원가를 좀더 낮출 수 있다. 모터를 스티어링 샤프트 위에다 탑재하므로 관성과 마찰을 향상시키나, 운전자에게 촉각 피드백을 제공하지 못한다.

[그림 1]컬럼 타입 EPS. 빨간 선으로 표시된 상자 안에 들어 있는 것이 보조를 위한 모터이다.

(2) 평행 축 EPS(parallel-axis EPS)

이 타입의 EPS는 모터를 타이어들 사이의 랙에다 탑재한다. 구조를 어떻게 하냐에 따라서 가격대와 운전할 때 운전자의 촉각이 좌우된다. 평행 축 EPS(parallel-axis EPS)는 가격대가 좀더 비싼 대신에, 좀더 정확하다. 이 타입의 EPS는 자동 운전 지원 기능이 있는 차량에 사용된다.

이 타입의 EPS는 스티어링 휠과 랙으로 토크 및 위치 센서들을 탑재한다. 벨트와 재순환 볼 기어박스(변환 비율 4:1)를 사용해서 모터를 곧바로 랙에다 결합한다. 또한 안전을 위해서 차량 크기에 따라서 모터 권선과 인버터를 중복적으로 구현함으로써 부분적인 시스템 결함이 발생되더라도 계속해서 보조를 제공할 수 있다. 이 시스템은 자동 운전 시스템에 사용되므로 모터 제어 정밀도가 중요하다.

(3) 스티어-바이-와이어 시스템(steer-by-wire system)

이 타입은 스티어링 컬럼을 없애고 스티어링 휠과 스티어링 기어 사이의 기계적 연결을 없앨 수 있다. 차량 스티어링 휠의 센서가 각각의 회전 움직임을 검출한다. 병렬 축 EPS와 마찬가지로 랙 스티어링 기어에 탑재된 전기 모터가 힘을 발생시키고 이것을 타이 로드로 전달한다. 스티어링 휠로 또 다른 전기 모터가 전통적 스티어링 시스템으로 운전자에게 익숙한 촉각 피드백을 발생시킨다. 이 스티어링 시스템은 전자적으로 운전자의 선호에 맞게 적응시킬 수 있다. 이 기능은 농업용 차량이나 트럭 같은 대형 차량으로 필수적인 것이 되고 있다.

EPS 인버터 설명

EPS로 랙에 탑재된 모터를 제어하기 위한 전자 파트는 중복성을 위해서 적어도 2개의 인버터를 포함한다. 이 모터는 차량 모델에 따라서 3위상, 6위상, 혹은 9위상이며, 매 3개 위상마다 하나의 인버터를 사용한다. 단일 3위상 모터는 적어도 2개 인버터를 사용한다. 최신 시스템은 센서를 사용하지 않고 통상적인 FOC(Field Oriented Control) 기법을 사용해서 모터를 제어한다. 첨단 운전자 지원 시스템(ADAS)으로는 제로 속도로 정밀한 토크 제어를 필요로 하며, 이것을 달성하기 위해서 고주파 주입(HFI) 알고리즘을 사용할 수 있다. 그림 4는 단일 인버터의 블록 다이어그램을 보여준다.

스티어-바이-와이어(steer-by-wire system) 가능 시스템으로 촉각 피드백을 위해서 스티어링 휠로 중복성이 없이 그림 4와 같은 시스템을 사용할 수 있다.

이러한 모든 경우로 GaN 기술을 사용함으로써 기존의 실리콘 디바이스를 사용할 때와 비교해서 효율을 높이고, 크기를 줄이고, 높은 제어 정확도를 달성할 수 있다. 이것은 향상된 퍼포먼스와 안전한 운전 경험으로 이어진다.

GaN FET 및 IC가 인버터와 모터로 유리한 점

갈륨 나이트라이드 디바이스가 전원 변환으로 혁신을 일으키고 있다. 모터 드라이브 애플리케이션으로 갈륨 나이트라이드 기반 인버터의 이점들이 갈수록 더 분명해지고 있다. 참고문헌 [1]에서는 이 기술의 기술적 이점에 대해서 설명하고 있다. GaN FET은 실리콘 MOSFET에 비해서 더 빠르게 스위칭할 수 있으며 더 적은 스위칭 에너지를 소모한다. 또한 GaN FET은 평방 밀리미터 면적당 RDSon이 더 낮으므로, 이 점은 다이 크기를 축소하고 컨버터로 전력 밀도를 높이도록 한다. 또한 전원 변환에 GaN 모노리딕 IC를 사용함으로써 디스크리트 구현에 비해서 추가적인 이점들을 거둘 수 있다. 게이트 드라이버와 전력 디바이스를 동일 다이에 통합함으로써 게이트 루프 인덕턴스를 크게 줄인다. 전력 디바이스들 사이에 경로가 짧으므로 상측 디바이스의 공통 소스 인덕턴스를 낮춘다. 칩 스케일 패키징으로 전원 루프 인덕턴스를 최소화한다. 외부적 게이트 드라이버를 필요로 하지 않으므로 전반적인 회로 크기를 줄이도록 한다. LGA와 QFN 패키징은 디바이스를 히트싱크로 접속하는 것을 수월하게 하고, 접합부로부터 주변 온도로 열 저항을 향상시킨다.

이러한 특징들을 모두 갖춘 제품으로서 최근에 EPC는 ePower™ EPC23102[2]를 출시했다. EPC23102는 100V 최대 버스 정격이고, 1MHz 스위칭 주파수로 부하로 35A 연속 전류를 제공할 수 있다. 내부적으로 통합한 전력 FET은 정격 온 저항이 6.6mΩ이다. 외부적 5V 전원을 사용해서 내부적 회로들을 바이어스하고, 입력 로직은 3.3V 및 5V CMOS 기술과 호환 가능하다. 외부적 저항을 사용해서 스위칭 전이를 조절할 수 있다. 그러므로 디자이너가 상승 및 하강 시간과 과전압 스파이크 및 링잉 사이에 최적의 절충을 할 수 있다. 상측 디바이스 구동을 위해서 레벨 쉬프팅과 동기 부트스트랩을 포함한다. 그림 5는 EPC23102의 블록 다이어그램을 보여준다.

모터 드라이브 애플리케이션으로 GaN 인버터는 수백 kHz로 스위칭하고 데드 타임을 수십 ns로 낮출 수 있다. 디자이너가 EMI, 전력 소모, 권선 절연 요구를 고려해서 모터 권선으로 인가하고자 하는 전이 전압 기울기(dV/dt)를 선택할 수 있다. 이들 애플리케이션으로는 5V/ns의 기울기가 주로 사용된다. PWM 주파수를 높이고 데드 타임을 낮추면 입력 필터를 줄일 수 있으며 세라믹 커패시터만 사용할 수 있다. 참고문헌 [3]에서 설명하고 있듯이, 모터 효율 또한 향상시킬 수 있다. 인가 전압의 총 고조파 왜곡을 낮춤으로써 더 적은 고조파로 인가 토크를 발생시키기 때문이다. 토크로 고조파 성분은 원치 않는 진동을 발생시키고, 이것은 기계적 저하로 이어질 것이다. 그림 6에서는 PWM 주파수를 높였을 때의 또 다른 중요한 효과를 보여준다. 이 그림에서는 동일한 모터를 포화에 가깝게 높은 온도로 100kHz로 동작할 때 20kHz로 동작할 때보다 더 적은 리플로 전류 제어가 더 우수하다는 것을 알 수 있다. 

PWM 주파수를 최대 100kHz까지로 높일 수 있다면 제로 속도나 극히 낮은 속도로 정확한 모터 제어를 위해서 HFI 알고리즘에도 유리하다. 이러한 조건으로 간접적 역-EMF 검출에 기반한 기존의 센서리스 FOC 알고리즘은 효과적이지 않다. 로터 마그넷 위치를 계산하기 위해서 변조 신호(수 kHz 범위)의 고주파 주입을 적용한 업그레이드가 필요하다. 로터 위치 검출의 정확도는 PWM 주파수와 주입되는 주파수 사이의 비에 따라서 좌우된다. 이 비가 높을수록 위치 검출의 정확도가 높고, 그러므로 모터 제어의 정밀도를 높인다.

EPC의 모터 드라이브 레퍼런스 디자인

IC 기반의 모터 드라이브 애플리케이션은 보드를 소형화하고 설계를 수월하게 한다. Efficient Power Conversion은 최근에 모터 드라이브 인버터 용으로 자사 IC를 기반으로 한 2개 레퍼런스 디자인 보드를 출시했다.

EPC9173[4]은 1.5kW 모터 드라이브 보드로서 6개 EPC23101 IC를 포함한다. PQFN의 우수한 열 성능에 의해서 이 인버터는 히트싱크를 사용하지 않고 모터로 20ARMS 전류 및 히트싱크를 사용하고서 25ARMS 전류를 제공할 수 있으며, 최대 100kHz까지 이르는 스위칭 주파수로 주변에 대해서 다이 온도 상승을 50℃ 아래로 유지한다.

EPC9176[5]은 400W 모터 드라이브 인버터로서 3개 EPC23102 IC를 포함하며, 14V ~ 65V의 넓은 입력 전압 범위로 동작한다. 히트싱크를 사용하지 않고서 모터로 15ARMS 전류 및 히트싱크를 사용하고서 20ARMS 전류를 제공할 수 있으며, 자연 대류 냉각을 사용해서 최대 100kHz까지 이르는 스위칭 주파수로 주변에 대해서 다이 온도 상승을 60℃ 아래로 유지한다.

EPC9173이나 또는 EPC9167HC 같은 비슷한 모터 드라이브 레퍼런스 디자인을 사용해서 기어박스 내의 모터 용으로 GaN 기술을 평가하고 개발 작업을 할 수 있다. EPC9176은 농업용 차량이나 트럭의 스티어링 휠로 촉각 피드백 모터에 사용하기에 적합하다. 모든 EPC 모터 레퍼런스 디자인은 전원 보드에서 모션 컨트롤러로 연결할 수 있도록 표준 커넥터를 제공한다. 그러므로 디자이너가 처음에 개발 작업 단계에서 전원 보드를 설계할 필요 없이 자신이 선호하는 컨트롤러를 사용할 수 있다. 그림 7은 EPC9173 레퍼런스 디자인 보드와 스위칭 셀 하나를 확대한 모습을 보여준다.

이들 모터 인버터 보드는 위상 션트 저항을 사용한 전류 측정, 위상 전압 검출, DC 버스 전압 검출, 센서드 제어를 위한 홀/인코더 인터페이스, 과전류 보호와 저전압 록아웃 같은 보호 회로를 특징으로 한다.

맺음말

갈륨 나이트라이드 디바이스는 모터 드라이브 애플리케이션으로 실리콘 MOSFET 기반 인버터에 비해서 많은 이점들을 가져온다. 실리콘 MOSFET은 스위칭 손실 때문에 스위칭 주파수가 통상적으로 40kHz로 제한되며 데드 타임은 대체로 200ns ~ 500ns 범위이다. GaN 기반 인버터는 수백 kHz로 동작하고 데드 타임이 수십 나노초이므로 토크로 고조파를 제거하고, 진동을 줄이고, 모터 효율을 높인다. 센서리스 FOC와 함께 HFI 알고리즘을 사용할 때 PWM 주파수가 높을수록 모터 제어로 낮은 속도로 더 우수한 정밀도를 달성한다. 

[참고문헌]

[1] A.Lidow, M. De Rooij, J. Strydom, D. Reusch, J. Glaser, GaN Transistors for Efficient Power Conversion. Third Edition, Wiley. ISBN 978-1-119-59414-7

[2] https://epc-co.com/epc/products/gan-fets-and-ics/epc23102

[3] A. Lidow, GaN Power Devices and Applications.  Chapter 6, First Edition, Power Conversion Publications. ISBN 978-0-9966492-2-3

[4] https://epc-co.com/epc/products/demo-boards/epc9173

[5] https://epc-co.com/epc/products/demo-boards/epc9176

[6] https://www.autozine.org/technical_school/traction/Steering_1.html

[7] https://www.nexteer.com/electric-power-steering/steer-by-wire/

[8] https://epc-co.com/epc/markets-and-applications/industrial/motor-drive

leekh@seminet.co.kr
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