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BLDC 모터 드라이브를 위한 GaN 기반 인버터 최적화

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글/Federico Unnia, Application Engineer, Motor Drive Design Center, EPC Corporation

소개

질화갈륨(GaN) 전력 소자는 전력 컨버터의 스위칭 주파수를 증가시키고 데드타임을 감소시킬 수 있으며, 이러한 특성을 모터 드라이브 인버터에 적용하면 몇 가지 이점을 얻을 수 있다. 최근 연구에 따르면 데드타임을 줄이고 스위칭 주파수를 높이면 모터 효율이 높아지는 것으로 나타났다[1].

높은 스위칭 주파수 모터 드라이브 인버터는 세라믹 커패시터만 사용할 수 있으므로, DC 링크에 필요한 정전용량을 최적화할 수 있으며, 이에 따라 전체 컨버터 크기를 줄일 수 있다. 또한 우수한 레이아웃으로 DC 링크 세라믹 커패시터의 낮은 인덕턴스는 물론 레이아웃에서 낮은 인덕턴스 분포를 가지므로 스위칭 셀에 가까운 디커플링 커패시터를 추가로 제거할 수 있다.

위에서 언급한 내용을 입증하기 위해 센서리스 자속 기준 제어(FOC) 기술을 사용하여 영구 자석 모터를 구동하는 실험 테스트를 수행하였다. 테스트에 사용된 GaN 모터 드라이브 인버터는 질화 갈륨 기술로 구현된 디스크리트 FET와 모놀리식 집적 회로를 모두 사용했다.

스위칭 주파수가 DC 링크 커패시터에 미치는 영향

모터 드라이브에서 DC 링크 커패시터는 주로 전원 공급장치 전압의 변동을 최소화하는 데 사용된다. 모터 드라이브 인버터에 사용되는 DC 링크 커패시터의 두 가지 주요 유형에는 전해 커패시터와 세라믹 커패시터가 있다. 전해 커패시터는 세라믹 커패시터보다 정전용량당 비용이 낮지만 등가 직렬 저항과 인덕턴스(ESL)가 높기 때문에 크기가 더 크다. 전해 커패시터는 일반적으로 허용할 수 있는 RMS 리플 전류를 기준으로 설계된다.

GaN FET 기반 인버터는 실리콘 MOSFET 기반 인버터보다 높은 스위칭 주파수에서 동작하므로 DC 버스에 세라믹 커패시터만 사용하는 것이 가능하다. 세라믹 커패시터는 컨버터의 스위칭 주파수에 반비례하는 리플 전압 요구사항에 따라 크기를 결정하므로 스위칭 주파수를 높이면, 필요한 전체 정전용량이 비례하여 감소한다. DC 링크 커패시터 수가 적을수록 인버터의 전체 비용과 크기가 작아진다.

세라믹 커패시터의 또 다른 장점은 기본적으로 기생 인덕턴스(ESL)가 낮다는 점이다. 우수한 레이아웃과 낮은 ESL로 세라믹 커패시터는 낮은 인덕턴스 전압원이 된다. 이는 스위칭 전력 컨버터의 중요한 요소이다.

세라믹 커패시터를 사용하는 DC 링크의 리플 전압 효과는 그림 1에서 보는 것처럼 높은 PWM 주파수에서 스위칭할 때 분명하게 나타난다. 여기서 100kHz에서 스위칭하는 90µF 인버터를 사용하는 전압 리플이 20kHz에서 동작하는 360µF 정전용량을 갖는 인버터의 전압 리플보다 낮은 것을 볼 수 있다. 

[그림 1] DC 링크에 세라믹 커패시터를 사용하는 3개의 인버터에서 DC 버스의 전압 리플과 PWN 스위칭 주파수 비교. 90?F 인버터에서 100kHz에서의 전압 리플은 20kHz에서 동작하는 360?F 인버터의 전압 리플보다 약간 낮으며, 이는 모터 드라이브 인버터에서 PWM 주파수를 증가시킴으로써 얻을 수 있는 이점을 보여준다.

스위칭 천이 측정과 스위칭 셀 최적화

오늘날 전력 컨버터의 기본 구성 요소는 스위칭 셀이다. 스위칭 셀은 DC 버스 단자에 직렬로 배치돼 전력 루프를 형성하는 2개의 트랜지스터로 구성된다. PCB 상의 트레이스, 비아 및 PCB와 부품의 모든 연결은 스위칭 셀에서 기생 인덕턴스를 유도한다.

전력 루프 인덕턴스는 스위칭 셀의 단자와 DC 버스 전압 사이에 존재하는 기생 인덕턴스로 모델링할 수 있다[3]. 전력 루프는 하드 스위칭 천이에 따라오는 링잉의 주범이며, 이는 디바이스에 과전압을 유발하고 EMI 문제를 드러낸다. 전력 루프 인덕턴스를 최소화하기 위해 사용되는 가장 일반적인 방법은 각 스위칭 셀의 트랜지스터에 디커플링 세라믹 커패시터를 전기적으로 가깝게 배치하는 것이다.

모터 드라이브 애플리케이션에서 일반적으로 스위칭 천이 슬루율은 dv/dt가 10V/ns 미만으로 의도적으로 낮게 유지된다. 느린 천이는 링잉 발생이 적고 높은 슬루율 천이보다 스위칭 셀에 가까운 디커플링 커패시터를 덜 필요로 한다. 우수한 PCB 레이아웃으로 DC 링크 세라믹 커패시터는 스위칭 셀에 낮은 인덕턴스 연결을 제공할 수 있다.

실험적 평가로 다음 2개의 EPC의 모터 드라이브 인버터 보드를 테스트하였다. 디스크리트 EPC2206 [5] GaN FET를 사용하는 EPC9145 [4] 및 EPC23101 [7] 모놀리식 통합 게이트 드라이버와 FET GaN IC를 사용하는 EPC9173 [6]이다.

EPC9145 모터 드라이브 인버터는 세라믹 커패시터로 구성된 벌크 DC 링크와 스위칭 셀에 가깝게 역시 세라믹 커패시터로 구성된 디커플링 커패시터를 장착했다. 첫 번째 보드는 9개 220nF 고주파수 루프 디커플링 커패시터와 16개 1µF 중간 주파수 디커플링 커패시터를 장착한 반면, 두 번째 보드는 디커플링 커패시터 없이 벌크 DC 버스 커패시터만 사용하여 작동했다.

인버터는 100kHz 스위칭 주파수에서 동작하고, 50A 피크 정현파 전류로 자속 기준 제어를 사용하여 영구 자석을 구동했다.

그림 2의 파형은 50A 양극 및 음극 위상 전류에서 측정된 상승 및 하강 천이를 보여준다. 디커플링 커패시터를 제거한 경우 인버터 동작에 성능 저하가 거의 없어 상승 천이의 차이는 작다고 볼 수 있다. 하강 천이 차이는 무시할 만한 수준이었다. 디커플링 커패시터가 없는 인버터의 경우 오버슈트는 버스 전압의 25%를 초과하지 않았다.

EPC9173 GaN IC 기반 모터 드라이브 인버터를 사용하여 동일한 실험을 수행하였다. 모놀리식 GaN 전력 IC는 게이트 드라이버와 전력 FET를 동일한 칩에 통합하고 있어 공통 소스 인덕턴스(CSI)를 효과적으로 제거하며[3] 스위칭 셀의 레이아웃을 간소화하고 기생 루프 인덕턴스를 최소로 유지한다.

양극 및 음극 50A 피크 전류에서 IC 기반 인버터에서 측정된 스위칭 천이의 파형은 그림 3에 나와 있다. 

모놀리식 통합 GaN 전력 IC는 하프 브리지 스위칭 셀에 존재하는 공통 소스 기생 인덕턴스를 최소화함으로써 디스크리트 GaN FET 기반 인버터에 비해 외부 디커플링 커패시터의 필요를 줄여준다.

커패시터 유형이 스위칭 노드 천이에 미치는 영향

DC 링크를 위한 세라믹 커패시터는 플레인 인터리빙으로 리턴 전류 자속을 제거하고 넓은 면적을 커버하며 커패시터의 내부 연결에 가깝게 비아를 적용하는 경우 PCB에서 스위치 컨버터 셀에 낮은 인덕턴스 연결을 제공할 수 있다.

서로 다른 DC 링크 커패시터 유형을 장착한 2개의 GaN FET 인버터 간 실험을 수행하였다. 첫 번째 인버터는 2 x 47µF SMD 전해 커패시터를 장착하고, 스위칭 셀에는 디커플링 커패시터를 사용하지 않았다. 두 번째 인버터에는 9 x 10µF 적층 세라믹 커패시터가 장착됐다. 커패시터 값은 유사한 공칭 DC 버스 정전용량을 제공하도록 선택되었다.

그림 4는 50A 피크 양극 및 음극 위상 전류에서 동작하는 2개의 인버터에서 각각 상승 천이의 측정된 파형을 보여준다. 세라믹 커패시터가 장착된 인버터는 전압 오버슈트 및 링잉이 거의 나타나지 않는다(50ns 내에 감쇠). 전해 커패시터가 장착된 인버터는 상당한 전압 오버슈트와 링잉을 보여준다(수백 나노초 동안 지속).

수행된 실험에 따르면 스위칭 셀에 세라믹 디커플링 커패시터를 제거하고자 할 때 전해 커패시터는 GaN FET 및 IC 기반 모터 드라이브 인버터에 적합한 선택이 아니라는 것이 분명하다. 실험에 사용된 전해 커패시터는 낮은 ESL 및 낮은 ESR 커패시터였지만, 여전히 적용하기에는 부족했다.

결론

최적화되고 효율적인 모터 드라이브 인버터를 설계하는 데 GaN FET 및 IC를 효과적으로 사용할 수 있다.

GaN 디바이스는 스위칭 성능이 뛰어나므로 이들 디바이스를 사용하는 인버터는 부품 수를 줄여 최적화할 수 있으며, 저주파수 MOSFET 기반 인버터에 비해 인버터의 전체 크기를 줄일 수 있다. 또한 높은 주파수 스위칭으로 DC 링크에 세라믹 커패시터만 사용할 수 있어 입력 필터의 크기를 줄이고 스위칭 셀에 고주파수 디커플링 커패시터를 제거할 수 있다.

90µF DC 링크 세라믹 커패시터를 사용하고 디커플링 커패시터 없이 100kHz에서 동작하는 최적화된 모터 드라이브 GaN 인버터는 50A 피크 정현파 위상 전류로 영구 자석 모터를 매끄럽게 구동할 수 있다. 

[참고문헌]

[1] S. Musumeci, F. Mandrile, V. Barba, and M. Palma, “Low-Voltage GaN FETs in Motor Control Application; Issues and Advantages: A Review.” In Energies 2021, 14, 6378. 

[2] A. Lidow, Ed. GaN Power Devices and Applications, El Segundo, CA, USA: Power Conversion Publication, 2022, First Edition, ISBN:  978-0996649223.

[3] 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.

[4] EPC9145 KIT - 1 kW 3-phase BLDC Motor Drive Inverter Evaluation Board (epc-co.com) https://epc-co.com/epc/products/demo-boards/epc9145

[5] EPC2206: Automotive 80 V Enhancement-Mode GaN Power Transistor | EPC (epc-co.com) https://epc-co.com/epc/products/gan-fets-and-ics/epc2206

[6] EPC9173 35 ARMS 3-Phase BLDC Motor Drive Reference Design Board (epc-co.com) https://epc-co.com/epc/products/demo-boards/epc9173

[7] EPC23101: 100 V, 65 A ePower Chipset (epc-co.com) https://epc-co.com/epc/products/gan-fets-and-ics/epc23101

leekh@seminet.co.kr
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