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효율적인 배터리 구동 BLDC 모터 추진 시스템

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글/Jens Wallmann, 프리랜서

협동 로봇(코봇), 전기 자전거, 산업용 드론, 전동 공구와 같은 배터리 구동 응용 분야에는 소형 폼 팩터의 가볍고 강력한 전기 모터가 필요하다. 브러시리스 DC(BLDC) 모터는 좋은 옵션이지만 모터 구동 전자 장치는 다양한 설계 고려 사항으로 인해 상당히 복잡하다. 설계자는 토크, 속도, 위치를 엄격하게 조정하면서도 진동, 잡음, 전자기 방사선(EMR)을 최소화한 높은 정밀도를 보장해야 한다. 또한 무게와 공간을 줄이고 비용을 절약하기 위해 부피가 큰 방열판과 외부 배선 하니스는 피해야 한다.

대개 그러하듯 설계자의 과제는 설계 요구 사항과 시간과 예산 압박의 균형을 맞추면서도 비용이 많이 드는 개발 오류를 피해야 한다. 이를 위한 한 가지 방법은 BLDC 모터를 구동하는 데 필요한 전력 스테이지에 질화 갈륨(GaN)과 같은 고속 저손실 반도체 기술을 활용하는 것이다.

이 기사에서는 GaN 기반 전력 스테이지의 상대적인 장점에 대해 설명하고 하프 브리지 토폴로지로 구현된 EPC의 샘플 장치를 소개하다. 그리고 관련 개발 키트를 사용하여 프로젝트를 빠르게 시작하는 방법에 대해 설명한다. 이 과정에서 설계자는 Microchip Technology의 motorBench Development Suite를 사용하여 최소한의 프로그래밍 작업으로 BLDC 모터의 파라미터를 측정하는 방법과 무센서 자속 기준 제어(FOC)에서 모터를 작동하는 방법을 배우게 된다.

GaN의 장점

배터리 응용 분야에서 BLDC 모터를 효율적으로 제어하려면 개발자는 액추에이터에 최대한 가깝게 구현할 수 있는 소형 폼 팩터의 효율적이고 가벼운 구동기 단이 필요하다. 그러한 예는 모터 하우징 내부에서 볼 수 있다.

절연 게이트 양극 트랜지스터(IGBT)는 견고하며 최대 200kHz에서 최대 100MW의 고전력을 스위칭할 수 있지만 최대 80V 전압에서 배터리 충전을 관리해야 하는 장치에는 적합하지 않다. 높은 접점 저항, 프리휠링 다이오드, 스위칭 손실뿐만 아니라 전원 차단 시 전류 테일이 모두 결합되어 신호 왜곡, 과열 발생, 스퓨리어스 방출을 유발한다.

금속 산화 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)는 IGBT에 비해 스위치 속도가 빠르고 스위칭 손실과 저항 손실이 낮지만 높은 스위칭 주파수에서 게이트 정전 용량을 사용하려면 강력한 게이트 구동기가 필요하다. 고주파에서 작동할 수 있다는 것은 설계자가 작은 전자 부품을 사용하여 전체 공간 요구 사항을 줄일 수 있다는 것을 의미하므로 중요하다.

GaN 고전자 이동도 트랜지스터(HEMT)로 전환하면 높은 캐리어 이동도를 통해 반도체 접합을 낮은 손실로 매우 빠르게 구축하거나 파괴할 수 있다. 매우 낮은 스위칭 손실과 높은 스위칭 주파수를 특징으로 하는 EPC의 EPC23102ENGRT와 같은 통합 GaN 구동기를 사용하면 아무리 좁은 공간에서도 콤팩트한 장치 설계가 가능하다. 모놀리식 칩에는 레벨 시프터, 부트 스트랩 로딩을 사용한 입력 논리 인터페이스와 하프 브리지 토폴로지에서 GaN 출력 FET를 제어하는 게이트 구동기 회로가 포함되어 있다(그림 1). 칩 패키지는 높은 방열과 낮은 기생 유도 용량에 최적화되어 있다.

[그림 1] EPC23102에는 제어 논리, 레벨 시프터, 게이트 구동기, 하프 브리지 토폴로지의 GaN 출력 FET가 포함되어 있다(왼쪽). 칩 패키지(오른쪽)는 높은 방열과 낮은 기생 유도 용량에 최적화되어 있다. (이미지 출처: EPC)

폐열 및 EMR 감소

EPC23102 출력 트랜지스터의 일반적인 드레인 소스 온 저항(RDS(on))은 25℃에서 5.2mΩ이다. 최대 100V의 전압과 최대 35A의 전류를 처리하다. 또한 GaN 장치의 측면 구조와 고유 바디 다이오드가 없기 때문에 매우 낮은 게이트 전하(QG)와 역회복 손실 전하(QRR)를 제공한다.

유사한 RDS(on)을 가진 MOSFET 장치와 비교할 때 GaN 구동기는 스위칭 손실을 최대 5배 낮춘다. 이를 통해 GaN 기반 인버터는 상대적으로 높은 펄스 폭 변조(PWM) 주파수(최대 3MHz)에서 짧은 부동 시간(50ns 미만)으로 작동할 수 있다.

기생 유도 용량이 감소된 패키지 설계에서 GaN 반도체의 높은 스위칭 속도(dV/dt)와 낮은 온도 계수는 신호 왜곡을 최소화하여 EMR 및 스위칭 손실을 최소화한다. 따라서 필터링 전략의 필요성이 낮아지게 되어 더 작고 저렴한 커패시터와 인덕터로 기판 공간을 절약할 수 있다.

낮은 접점 저항 RDS(on)과 함께 GaN 기판의 높은 열전도율과 부품 패키지의 넓은 열 접촉 면적과 같은 GaN 장치의 다른 장점들이 모두 결합되어 GaN 전력 스테이지에서 히트 싱크 없이 최대 15A의 전류를 스위칭할 수 있다(그림 2).

EPC23102는 또한 로우사이드 채널부터 하이사이드 채널까지 강력한 레벨 컨버터를 갖추고 있어 소프트 스위칭 조건과 하드 스위칭 조건에서(심지어 큰 음극 단자 전압에서도) 작동하며 외부 소스 또는 인접 위상에서 발생하는 빠른 dV/dt 과도현상에 의한 잘못된 트리거를 방지하도록 설계되었다. 내부 회로망은 논리와 부트스트랩 전력 충전과 비활성화 기능이 통합되어 있다. 보호 기능은 공급 전압이 너무 낮거나 고장일 때 출력 FET의 원치 않는 작동을 방지한다.

즉시 사용 가능한 모터 인버터 평가 세트

GaN 기술로 3상 BLDC 모터를 커미셔닝하는 가장 쉽고 빠른 방법은 EPC의 EPC9176KIT 모터 인버터 평가 키트를 사용하는 것이다. 이 키트는 EPC9176 모터 인버터 기판과 DSP 컨트롤러 기판으로 구성된다. 고객별 호스트 컨트롤러를 통해 제어할 수 있는 간단한 EPC9147E 컨트롤러 플러그인 어댑터도 포함되어 있다. 커플링 커넥터는 3 × PWM, 2 × 인코더, 3 × Uphase, 3 × Iphase, UDC, IDC, 2 × 상태 LED 신호를 전달한다.

참조 설계로서 EPC9176 모터 인버터 기판은 사내 회로 설계를 용이하게 하며 EPC9147A 컨트롤러 기판을 Microchip Technology의 motorBench 개발 환경과 함께 사용하면 사용자가 코딩이나 프로그래밍에 시간을 들이지 않고도 빠르게 시작하고 실행할 수 있다.

3상 BLDC 모터 인버터에는 3개의 EPC23102 GaN 하프 브리지 구동기가 통합되어 있어 AC 또는 DC 모터와 DC/DC 전력 컨버터를 제어할 수 있다. 최대 6.6mΩ의 RDS(on)을 사용하면 전력 스테이지는 최대 100V의 스위칭 전압에서 일정한 작동 시 최대 28Apk 또는 20ARMS의 부하 전류에서 열 손실을 거의 발생시키지 않는다. 다중 위상 DC/DC 변환용으로 구성된 EPC23102는 모터 구동기 응용 분야에서 최대 500kHz와 최대 250kHz의 PWM 스위칭 주파수를 지원한다.

8.1cm × 7.5cm EPC9176 모터 인버터 기판에는 DC 버스 커패시터, 게이트 구동기, 조정된 보조 전압, 위상 전압, 위상 전류, 온도 측정 등 전체 모터 인버터를 지원하는 데 필요한 모든 중요 기능 회로망을 비롯하여 보호 기능과 선택 사항인 고조파 필터 또는 EMR 필터가 포함되어 있다(그림 3).

3상 GaN 인버터는 14V ~ 65VDC의 입력 전압에서 작동한다. 오버슈트 없이 스위칭되므로 매끄러운 토크와 최소한의 실행 잡음이 발생한다. 이 기판은 기울기가 10V/ns 미만인 일반적인 GaN 고속 스위칭에 최적화되어 있으며 선택적으로 DC/DC 컨버터의 작동을 위해 줄일 수 있다. 또한 서로 다른 전압 레벨에서 작동하는 회전자 위치 센서(홀 센서) 2개를 연결할 수 있다.

진동 없는 토크와 낮은 실행 잡음

3상 BLDC 모터 구현의 예는 부동 시간을 파라미터로 처리하여 모터의 원활한 작동과 그에 따른 잡음 생성에 미치는 영향을 보여준다. GaN FET를 기반으로 하는 하프 브리지의 하이사이드 및 로우사이드 FET 스위칭 전이 시 잠금 시간을 매우 짧게 가져갈 수 있다. GaN HEMT는 반응이 매우 빠르고 저속 MOSFET와 마찬가지로 기생 오버슈트를 생성하지 않기 때문이다.

그림 4의 왼쪽은 MOSFET의 일반적인 부동 시간이 500ns이고 40kHz의 PWM 주파수에서 작동하는 GaN 인버터를 보여준다. 매끄러워야 할 사인파 위상 전류에 매우 높은 왜곡이 나타나며 이로 인해 높은 토크 리플과 그에 상응하는 잡음이 발생한다. 그림 4의 오른쪽은 부동 시간이 50ns로 감소하면서 부드러운 모터 동작을 위한 잡음이 거의 없는 사인파 위상 전류가 설정되었다.

위상 전류의 리플이 적다는 것은 고정자 코일의 자화 손실도 낮다는 것을 의미하며 위상 전압의 리플이 적다는 것은 높은 분해능 뿐만 아니라 토크와 속도를 더욱 정밀하게 제어할 수 있음을 의미한다. 특히 소형 설계에서 사용되는 유도 용량이 낮은 모터에 적합하다.

더 많은 전력이 필요한 모터 구동 응용 분야의 경우 EPC9167HCKIT(1kW) 및 EPC9167KIT(500W)의 두 가지 GaN 인버터 기판을 사용할 수 있다. 두 기판 모두 최대 RDS(on)이 3.6mΩ이고 최대 장치 전압이 80V인 EPC2065 GaN FET를 사용한다. EPC9167 기판은 각 스위칭 위치에 대해 단일 FET를 사용하지만 EPC9167HC에는 병렬로 작동하는 2개의 FET가 있어 최대 42Apk(30ARMS) 출력 전류를 제공한다. EPC2065 GaN FET는 모터 제어기 응용 분야에서 최대 250kHz의 PWM 스위칭 주파수를 지원하며 DC/DC 컨버터에서 최대 500kHz의 PWM 스위칭 주파수를 지원한다.

EPC9173KIT의 인버터 기판은 더 높은 전력(최대 1.5kW)을 제공한다. 이 기판은 하나의 통합 하이사이드 전력 FET만 있는 2개의 단일 EPC23101ENGRT GaN 게이트 구동기 IC의 하프 브리지 분기를 형성한다. 또한 벅, 부스트, 하프 브리지, 풀 브리지 또는 LLC 컨버터로 확장할 수 있다. 최대 50Apk(35ARMS)의 출력 전류를 제공하고 적절한 냉각을 통해 최대 250kHz의 PWM 주파수에서 작동한다.

구동기 단의 짧은 시작 시간과 실행

코딩 없이 EPC9176 GaN 인버터 기판을 평가하는 가장 빠른 방법은 EPC9147A 컨트롤러 인터페이스 기판을 사용하는 것이다. 플러그인 모듈(PIM)인 MA330031-2에는 Microchip Technology의 dsPIC33EP256MC506-I-PT 16비트 DSP가 포함되어 있다(그림 5).

설계자는 DSP 컨트롤러 인터페이스의 작동을 용이하게 하기 위해 다음을 추가한 motorBench Development Suite를 사용할 수 있다.

1. MPLAB X IDE_V5.45 및 권장 업데이트

2. Code Configurator 플러그인(DSP별 컴파일)

3. motorBench 플러그인 2.35(모터 예)

여기서는 EPC9146 GaN 모터 인버터 기판을 예로 논의하므로 다음을 진행한다.

4. ‘sample-mb-33ep256mc506-mclv2.X’라는 이름의 EPC914xKIT용 MCLV-2 또는 EPC 프로젝트로 시작한다.

사용자는 EPC9146 GaN 모터 인버터 기판용 샘플 16진수 파일을 선택한 다음 Microchip Technology의 16비트 마이크로컨트롤러용 PG164100과 같은 프로그래밍 어댑터를 사용하여 DSP dsPIC33EP256MC506에 플래시하면 된다. 연결된 BLDC 모터(Teknic_M-3411P-LN-08D)는 컨트롤을 통해 수동으로 제어할 수 있으며 무센서 FOC 모드로 작동한다.

모터가 만족스럽게 작동하지 않거나 다른 작동 상태로 구성해야 하는 경우 motorBench는 구성 가능한 샘플 파일도 제공한다. 이 샘플 파일은 플래시하기 전에 컴파일이 필요하다. 위에서 설명한 대로 GaN 모터 구동기의 기본적이지만 중요한 파라미터는 50ns 이하의 부동 시간이며 16진수 파일을 컴파일하기 전에 반드시 확인해야 한다.

BLDC 모터용 파라미터 맞춤 설정

motorBench IDE를 사용하여 무센서 FOC 작동을 위한 BLDC 모터 구성을 맞춤 설정하기 위해 사용자는 특정 모터 파라미터를 측정하고 구성 파일에 관련 값을 입력할 수 있다. 예를 들어 ISL Products International의 MOT-I-81542-A 모터는 여기에서 테스트 모터 역할을 한다. 이 모터는 24V에서 6100rpm으로 작동할 때 약 361W의 전력을 소비한다.

다음 네 가지 모터 파라미터를 먼저 결정해야 한다.

• 옴 저항: 다중 계측기를 사용하여 고정자 코일 단자 사이에서 측정한다.

• 유도 용량: 다중 계측기를 사용하여 고정자 코일 단자 사이에서 측정한다.

• 자극 쌍: 자극 쌍을 결정하려면 설계자는 두 상을 단락시키고 세 번째는 열린 상태로 둔 다음 손으로 샤프트를 1회전시키며 래치 수를 세고 그 결과를 2로 나눈다.

• 역기전력(BEMF): 오실로스코프를 사용하여 고정자 코일 단자 사이에서 측정한다. 측정을 위해 설계자는 다음을 수행해야 한다.

- 프로브를 2상 리드에 고정하고 세 번째 리드는 열린 상태로 둔다.

- 손으로 모터 샤프트를 회전하며 전압 응답을 기록한다.

- 최대 사인 반파의 피크 간 전압 App와 주기 Thalf를 측정한다(그림 6).

위의 프로젝트 예를 참조하여 Microchip은 Teknic M-3411P-LN-08D 모터(8.4ARMS, 8극, 토크 = 1Nm, 244W의 정격 전력)에 대한 다음 파라미터를 결정한다.

• App = 15.836Vpp

• Thalf = 13.92ms

• 자극 쌍: pp = 4

• 그런 다음 Microchip은 방정식 1을 사용하여 BEMF 상수(1000rpm = 1krpm)를 계산한다.

   (1)

여기서 예로 든 모터의 경우(motorBench에는 10.2가 사용됨)

• RL-L = 선 간 저항 800mΩ(LCR 계측기 리드로 인해 -100mΩ)

• Ld = Lq = 932μH로 측정되었으나 이 예에서는 1mH를 사용함

결정된 파라미터는 motorBench 하위 메뉴 Configure/PMSM Motor에 입력된다. 이를 위해 설계자는 간단히 유사한 모터 유형의 XML 구성 파일을 사용하면 된다. 또는 새로 생성된(비어 있는) 구성 파일에 ‘모터 가져오기’ 버튼을 통해 가져올 수 있는 파라미터를 입력할 수 있다.

결론

GAN 모터 구동기 IC는 소형 폼 팩터와 가벼운 무게로 배터리 구동 BLDC 모터에서 고효율 성능을 제공한다. 모터 하우징에 통합되어 있어 보호 기능이 탁월하고 장치 설계 및 설치가 간편하며 유지 보수가 줄어든다.

참조 회로, 사전 프로그래밍이 된 모델 기반 DSP 컨트롤러, 모터 개발 환경의 지원을 받는 BLDC 모터 응용 분야의 설계자와 프로그래머는 회로 설계 시간을 단축하고 응용 제품 개발에 더 집중할 수 있다. 

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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