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모터 인버터에서 GaN 전력 소자를 사용하는 방법

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자료제공/EPC

에너지원의 보다 효율적인 사용 요구, 엄격한 규제 의무, 냉각기 운영에 따른 기술적인 이점은 모두 전기 모터의 전력 소비를 줄이기 위한 최근의 노력을 뒷받침하는 요소이다. 실리콘 MOSFET과 같은 스위칭 기술이 널리 보급되어 있지만, 중요한 인버터 응용 분야의 더 까다로운 성능과 효율성 목표를 충족하지 못하는 경우가 많다.

이러한 상황에서, 설계자는 비용, 성능, 신뢰성, 사용 편의성 측면에서 개선되고 발전된 와이드 밴드갭(WBG) FET 소자 기술인 질화 갈륨(GaN)을 사용하여 이러한 목표를 달성할 수 있다. GaN 소자는 이제 주류 제품으로, 미드레인지 전력 수준의 인버터에서 우선적으로 채택하고 있다.

이 기사에서는 Efficient Power Conversion Corporation (EPC)의 최신 GaN 기반 FET에서 고성능 모터 인버터를 구현하는 방식을 살펴본다. 설계자가 GaN 소자의 특성을 익히고 설계 시간을 단축하는 데 도움이 되는 평가 기판이 제공된다.

인버터란?

인버터는 모터를 구동하는 전력 파형을 생성 및 조절하는 장치로, 브러시리스 DC(BLDC) 유형인 경우가 많다. 여러 요구 사항 중에서도 부드러운 시작과 정지, 역회전, 가속률과 관련하여 모터의 속도와 토크를 제어한다. 또한 부하가 변하더라도 원하는 모터 성능을 달성하고 유지할 수 있어야 한다.

가변 주파수 출력 모터 인버터를 AC 라인 인버터와 혼동해서는 안 된다. AC 라인 인버터는 차량 배터리와 같은 소스에서 DC를 생성하여 고정 주파수 120/240V AC 파형을 제공하며, 사인파의 근사치를 계산하고 라인 구동 장치에 전력을 공급하는 데 사용된다.

GaN의 장점

GaN 소자는 높은 스위칭 속도, 낮은 드레인-소스 온스테이트 저항(RDS(ON)), 더 나은 열 성능 등 실리콘에 비해 매력적인 특성을 가지고 있다. RDS(ON)가 낮아 더 작고 가벼운 모터 구동기에 사용할 수 있고 전력 손실을 줄여 전기 자전거, 드론과 같은 응용 제품에서 에너지와 비용을 절약할 수 있다. 스위칭 손실이 적어 모터의 구동 효율이 상승하므로 경량 전기 차량(EV)의 주행 거리를 늘릴 수 있다. 스위칭 속도가 빠르므로 로봇 공학과 같은 정밀한 모터 제어가 필요한 응용 분야에 필수적인 신속한 모터 응답을 실현할 수 있다. GaN FET는 더 강력하고 효율적인 지게차 모터 구동기 개발에도 사용할 수 있다. GaN FET는 뛰어난 전류 처리 능력을 가지므로 더 크고 강력한 모터에 사용할 수 있다.

최종 응용 제품에서는 크기 및 무게 감소, 전력 밀도 및 효율성 향상, 열 성능 개선 등의 근본적인 이점을 얻을 수 있다.

GaN 시작하기

전력 스위칭 소자를 설계할 때, 특히 미드레인지 전류 및 전압에서는 소자의 가장 세부적인 사항과 고유한 특성에 주의해야 한다. GaN 소자는 공핍 모드(d-GaN)와 인핸스먼트 모드(e-GaN)라는 두 가지 방식의 구조를 가진다. d-GaN 스위치는 일반적으로 ‘켜짐’ 상태이고 음수 공급이 필요하므로 회로를 설계하기가 더 복잡하다. 이에 반해 e-GaN 스위치는 일반적으로 ‘꺼짐’ 상태 MOSFET이므로 더 간단한 회로 아키텍처를 구현할 수 있다.

GaN 소자는 기본적으로 양방향성을 가지며, 소자 전반의 역전압이 게이트 임계 전압을 초과하면 전도가 시작된다. 또한 애벌런치 모드 작동이 불가능한 설계이므로 충분한 정격 전압을 확보하는 것이 중요하다. 일반적으로 벅, 부스트 및 브리지 DC 변환 토폴로지의 경우 최대 480V 버스 전압에서 600V 정격이 적절하다.

GaN 스위치는 기본적인 켜기/끄기 전력 스위칭 기능은 간단하지만 전력 소자이므로, 설계자는 켜기 및 끄기 구동 요구 사항, 스위칭 타이밍, 레이아웃, 기생 영향, 전류 흐름 제어, 회로 기판의 전류 저항(IR) 강하를 신중하게 고려해야 한다.

많은 설계자가 평가 키트를 활용해 GaN 소자의 기능과 사용 방법을 가장 효과적으로 이해할 수 있다. 이 키트는 다양한 구성과 전력 수준의 개별 및 다중 GaN 소자를 사용한다. 또한 커패시터, 인덕터, 저항기, 다이오드, 온도 센서, 보호 장치, 커넥터를 비롯한 관련 수동 소자 부품을 포함한다.

저전력 소자로 시작하기

저전력 GaN FET의 좋은 예로 EPC2065가 있다. 드레인-소스 전압(VDS)은 80V, 드레인 전류(ID)는 60A, RDS(ON)는 3.6mΩ이다. 땜납 봉과 함께 부동태화된 다이 형태로만 제공되며 크기는 3.5mm × 1.95mm이다(그림 1).

다른 GaN 소자와 마찬가지로, EPC2065의 측면 장치 구조와 다수 캐리어 다이오드는 유달리 낮은 총 게이트 전하(QG)와 제로 역회복 전하(QRR)를 제공한다. 이러한 특성으로 인해 매우 높은 스위칭 주파수(최대 수백 킬로헤르츠)와 낮은 온타임이 유리한 상황과 온스테이트 손실에 의해 좌우되는 상황에 적합하다.

이 소자는 20A/500W 작동을 위한 EPC9167KIT 및 20A/1kW 작동을 위한 고출력 EPC9167HCKIT라는 두 개의 유사한 평가 키트 위에 제공된다(그림 2). 두 키트 모두 3상 BLDC 모터 구동 인버터 기판이다.

기본 EPC9167KIT 구성에서는 각 스위치 위치에 단일 FET를 사용하며 위상당 최대 15ARMS(공칭 값) 및 20ARMS(피크 값) 전류를 공급할 수 있다. 이에 반해 고전류 EPC9167HC 구성에서는 스위치 위치당 2개의 병렬 FET를 사용하고 최대 20ARMS/30ARMS(공칭/피크) 출력 전류를 공급할 수 있어서 더 높은 출력 전류에 GaN FET를 병렬로 구성하는 것의 상대적 편의성을 보여준다. 그림 3은 베이스 EPC9167 기판의 제품 구성도를 보여준다.

EPC9167KIT에는 게이트 구동기, 하우스키핑 공급을 위한 정격 보조 전력 레일, 전압 감지, 온도 감지, 전류 감지, 보호 기능을 포함하여 전체 모터 구동 인버터를 지원하는 데 중요한 모든 회로가 포함되어 있다.

EPC9167은 다양한 호환 컨트롤러와 결합할 수 있으며 여러 제조업체에서 지원한다. 기존 리소스를 활용하여 모터 구동 인버터 또는 DC-DC 컨버터로 신속하게 구성해 빠르게 개발할 수 있다. 전자의 역할에서는 모터 구동 응용 분야에서 최대 250kHz의 펄스 폭 변조(PWM) 스위칭 주파수를 지원하는 다상 DC-DC 변환을 제공하고, 비모터 DC-DC 응용 분야에서 최대 500kHz로 작동한다.

높은 전력으로 이동하기

전력 처리 범위의 반대쪽에는 100V/101A 정격과 1.8mΩ RDS(ON)를 지원하는 GaN FET인 EPC2302가 있다. 40V ~ 60V 및 48V BLDC 모터 구동기의 고주파 DC-DC 응용 분야에 적합하다. EPC2065에 사용되는 땜납 봉과 함께 부동태화된 다이 패키징과 달리, 이 GaN FET는 뛰어난 열 관리를 위해 상단이 노출된 3mm × 5mm 크기의 낮은 유도 용량 QFN 패키지에 실장되어 있다.

케이스 상단의 열 저항이 와트당 0.2℃로 낮아 열 반응이 우수하고 냉각 문제를 완화한다. 상단이 노출되어 상단 열 관리가 향상되고 측면 웨터블 플랭크는 리플로 납땜 공정 중에 측면 패드 표면 전체에 땜납이 덮이도록 보장한다. 그러면 구리가 보호되고 이 외부 플랭크 영역에 납땜을 할 수 있어 광학 검사가 간편해진다.

EPC2302의 실장 면적은 비슷한 RDS(on) 및 정격 전압을 가진 동급 최고 실리콘 MOSFET의 절반 이하이면서, QG 및 QGD는 훨씬 작고 QRR는 0이다. 따라서 스위칭 손실과 게이트 구동기 손실이 감소된다. EPC2302는 10ns 미만의 짧은 부동 시간으로 작동하여 효율성이 높으며, 값이 0인 QRR로 인해 신뢰성이 향상되고 전자파 장해(EMI)가 최소화된다.

EPC2302를 실행하기 위해 EPC9186KIT 모터 컨트롤러/구동기 전력 관리 평가 기판은 최대 5kW 모터를 지원하며 최대 150ARMS 및 212APEAK 최대 출력 전류를 공급할 수 있다(그림 4).

이러한 높은 정격 전류를 달성하기 위해 EPC9186KIT는 스위치 위치당 4개의 병렬 GaN FET를 사용하여, 더 높은 전류 수준에 도달할 때 이 접근 방식의 편의성을 보여준다. 이 기판은 모터 구동 응용 분야에서 최대 100kHz의 PWM 스위칭 주파수를 지원하며 게이트 구동기, 정격 보조 하우스키핑 전원 공급 장치, 전압 및 온도 감지, 정확한 전류 감지, 보호 기능 등 전체 모터 구동 인버터를 지원하는 데 중요한 모든 기능을 포함하고 있다.

결론

모터 인버터는 기본 전원과 모터 사이의 중요한 연결 고리이다. 더 작고, 더 효율적이며, 더 우수한 성능의 인버터를 설계하는 것이 점점 더 중요한 목표가 되고 있다. 설계자가 선택할 수 있는 미드레인지 인버터에 사용되는 중요 전력 스위칭 소자에 대한 공정 기술 중에서 EPC 제품에 사용하는 것과 같은 GaN 소자가 우선적으로 채택된다. 

leekh@seminet.co.kr
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