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GaN 모터 구동 인버터를 활용한 농업용 드론 혁신

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자료제공/EPC

오늘날 농업은 UAV(무인 항공기) 드론을 도입해서 혁신적으로 발전하고 있다. 드론은 저전압 배터리로 작동되는 항공기이다. 지형 맵핑이나 농작물 모니터링에는 소형 드론을 사용하고[1], 좀더 무겁고 튼튼한 드론을 사용해서는 50킬로그램까지 이르는 적재 하중으로[4] 비료나 살충제 살포뿐만 아니라[2] 파종과 사료 살포 같은 작업도 할 수 있다[3].

GaN 디바이스는 실리콘 MOSFET과 비교해서 다이 면적당 RDS(on)과 커패시턴스가 낮기 때문에 더 작고 가벼운 인버터를 설계할 수 있다[5]. 뿐만 아니라 GaN 디바이스는 뛰어난 스위칭 성능과 열 성능으로 PWM 주파수를 높이면서도 온도 상승을 낮게 유지할 수 있다. 그러므로 인버터로 최소한의 효율 손실만을 일으키거나 거의 일으키지 않는다.

더 높은 PWM 주파수로 동작함으로써 두 가지 측면에서 모터에 유리하다. 오늘날 BLDC 모터는 전기적 상수들이 낮기 때문에 통상적인 MOSFET 인버터 애플리케이션(10kHz~40kHz)보다 더 높은 주파수로 임피던스가 최적 수준이 된다[6]. 그러므로 인버터를 더 높은 PWM 주파수로 작동함으로써 모터 효율을 높일 수 있다. 뿐만 아니라 더 높은 PWM 주파수를 사용하면 DC 링크 필터의 크기를 줄일 수 있다. 세라믹 커패시터를 사용하면 특히 더 그렇다[5]. 그러므로 더 작고 가벼운 인버터를 설계할 수 있다.

MOSFET 사다리꼴 제어 대 GaN FET 사인파 제어

사다리꼴(trapezoidal) 변조 제어는 3위상 BLDC 모터를 구동하기 위해서 사용되는 기법이다. 위상 전류가 사다리꼴 형태이기 때문에 사다리꼴 제어라고 한다. 매 정류 시에 3개 위상 중에서 2개로만 에너지를 공급한다. 그러므로 3개 인버터 레그 중에서 2개만 스위칭한다. 이 기법은 스위칭 손실을 효과적으로 줄일 수 있다. 특히 위상 전류가 높고 모터 전력이 높은 실리콘 MOSFET 기반 모터 구동 인버터로 그렇다. 하지만 이 기법의 단점은 DC 버스 상으로 높은 전압 리플을 발생시킨다는 것이다. 그러므로 사다리꼴 전류 파형의 높은 고조파 성분으로 인해서 EMI 문제를 야기하고 모터 효율을 떨어트릴 수 있다. 

이와 달리 사인파 전류 변조 제어는 더 많은 수의 스위칭 정류를 필요로 한다. 결과적인 여자(excitation)가 사다리꼴 여자에 비해서 더 낮은 고조파 성분을 발생시킨다. 그러므로 모터의 기계적 효율을 높인다. GaN FET 기반 인버터는 사인파 변조를 사용해서 높은 PWM 주파수와 더 높은 전류로도 스위칭 손실이 낮다.

시험을 위해서, 모터로 사다리꼴 변조 인버터와 사인파 변조 GaN FET 인버터를 테스트했다. MOSFET 인버터는 6개의 100V 1.2mΩ 온-저항 실리콘 MOSFET을 채택하고 2개의 대형 전해 커패시터(470μF, 63V)를 사용했다. 이들 커패시터가 전체 인버터 체적의 거의 절반을 차지했다. 반면에 GaN FET 인버터 EPC9194[7]는 6개의 100V 1.4mΩ 온-저항 GaN FET을 채택하고 9개의 10μF DC 링크 세라믹 커패시터를 사용했다. 이들 커패시터는 MOSFET 인버터의 전해 커패시터들보다 거의 30배 더 적은 체적을 차지했다. 정격 온-저항은 비슷한데, GaN FET이 커패시터가 MOSFET보다 훨씬 낮다. 그러므로 GaN 기반 인버터는 더 높은 PWM 주파수로 동작할 수 있다.

그림 1은 테스트 셋업을 보여준다. 전류 프로브와 전압 프로브를 사용해서 DC 버스 전류와 전압을 측정했다. 오실로스코프의 수학 트레이스를 사용해서 DC 버스 입력 전력을 계산했다. 입력 전력 측정과 함께, 인버터의 PWM 주파수를 확인하기 위해서 위상 전압을 측정했다. 또한 위상 전류 형태를 알아보기 위해서 모터 와이어 배선으로 전류 프로브를 연결했다.

그림 2는 두 인버터로 모터 속도에 따른 입력 전력을 보여준다. MOSFET 인버터의 빨간색 트레이스가 GaN FET 인버터의 파란색 트레이스보다 높다는 것을 알 수 있다. 이는 다시 말해서 MOSFET 인버터가 동일한 속도로 모터를 회전시키기 위해서 더 많은 전기 전력을 필요로 한다는 뜻이다. 부하 토크는 프로펠러의 형태와 속도에 따라서 다르기는 하나, MOSFET 인버터와 GaN FET 인버터가 동일한 모터-프로펠러 시스템을 구동한다고 했을 때 모터 속도는 전적으로 기계적 출력에 의해서 결정된다.

그림 3은 MOSFET 인버터와 GaN FET 인버터의 입력 전력 차이를 보여준다. 그림 2와 그림 3에서 보듯이, 부하 즉 프로펠러로 동일한 기계적 출력을 제공하기 위해서 MOSFET 인버터가 전원장치(다시 말해서 배터리)로부터 더 많은 전기 전력을 필요로 한다. 가장 큰 이유는, GaN FET 인버터는 높은 주파수의 PWM 사인파 여자로 낮은 주파수의 사다리꼴 변조에 비해서 DC 전기 에너지를 더 효율적으로 기계적 에너지로 변환하기 때문이다. 이것은 사인파 여자가 고조파 성분이 더 깨끗하기 때문이다.

그림 2에서는 모터 속도가 2100 rpm일 때 GaN FET 인버터로 약 1750W를 필요로 한다는 것을 알 수 있다. 그림 3에서는 2100 rpm으로 MOSFET 인버터로 GaN FET 솔루션에 비해서 350W의 입력 전력을 더 필요로 한다는 것을 알 수 있다. 다시 말해서 사다리꼴 변조 MOSFET 인버터는 모터를 2100 rpm으로 실행하기 위해서 20%의 DC 전력을 더 필요로 한다.

농업용 드론의 비행 시간은 모터 속도의 미션 프로파일과 배터리 기술에 따라서 다르기는 하나, 대체로 수십 분에 달한다. 드론 애플리케이션으로 저주파수 PWM 사다리꼴 여자를 적용한 전통적인 MOSFET 인버터 대신에 고주파수 PWM 사인파 여자를 적용한 GaN FET 인버터를 사용함으로써 모터당 수백 와트의 전력을 줄일 수 있다. 이것은 비행 시간을 수분까지 늘리도록 한다.

낮은 PWM 주파수 MOSFET 사인파 제어 대 높은 PWM 주파수 GaN FET 사인파 제어

EPC9193 GaN FET 인버터를 낮은 주파수의 사인파 PWM 변조를 적용한 MOSFET 인버터와 비교하기 위한 테스트도 실시했다[8]. MOSFET 인버터는 스위치당 병렬로 2개 FET을 사용해서 사인파 PWM 변조로 16kHz로 스위칭한다. 각각의 FET은 120V 3.6mΩ 온-저항이고, 전체 인버터로 총 12개 트랜지스터이다. GaN FET 인버터 역시 스위치당 병렬로 2개 FET을 사용해서 120kHz로 동작한다. 각각의 GaN FET은 100V 3.3mΩ 온-저항이고, 전체 인버터로 총 12개 트랜지스터이다.

첫 번째 시험에서는 고주파수 PWM 사인파 제어가 전반적인 시스템 효율 면에서 저주파수 PWM 사다리꼴 제어보다 뛰어난 것으로 확인되었다. 두 번째 시험의 목적은, 둘 다 사인파 변조로 동작할 때 GaN FET 인버터가 높은 주파수로 스위칭하는 것이 낮은 주파수로 동작하는 MOSFET 인버터보다 효율 면에서 여전히 뛰어난지 확인하는 것이었다.

그림 4는 MOSFET 인버터 솔루션과 GaN FET 인버터 솔루션의 모토 속도에 따른 입력 전력 차이를 보여준다. 센서리스 제어 알고리즘의 스타트업 시퀀스에 해당되는 낮은 속도 구간(1500 rpm 이하)에서는 MOSFET 인버터로 필요로 하는 추가적 전력이 낮다. 하지만 높은 속도 구간(1500 rpm 이상)에서는 MOSFET 인버터로 필요로 하는 추가적인 전력이 빠르게 높아지는 것을 알 수 있다. 드론의 모터는 대체로 수십 혹은 수백 밀리초에 달하는 스타트업 시퀀스 동안에만 낮은 전력으로 동작한다. 정상적인 비행 시에는 이 그래프 상의 높은 구간으로 동작한다. 이 구간에서는 MOSFET 인버터로 필요로 하는 추가적인 전력이 더 높고 총 전력에 따라서 선형적으로 증가한다.

농업용 드론은 이들 테스트에 사용된 것과 같은 모터를 사용해서 헥사콥터(6개 모터, 6개 프로펠러) 또는 옥타콥터(8개 모터, 8개 프로펠러)로 이루어진다. 그러므로 각기 모터로 수십 와트를 절약할 수 있다면 전체적인 드론 시스템으로 수백 와트까지 절약할 수 있다. 정확한 미션 프로파일을 알지 못하고는 드론의 비행 시간을 정확하게 알기는 어렵다. 하지만 수십 분의 비행 시간이 가능하다고 했을 때 수백 와트를 절약함으로써 드론의 비행 시간을 수십 초에서부터 수분까지 연장할 수 있다.

맺음말

3위상 모터 구동 인버터로 GaN 전력 디바이스를 유익하게 활용할 수 있는 애플리케이션으로는 농업용 드론도 포함된다. 이 글에서는 이 용도로 GaN 디바이스의 성능을 확인하기 위한 테스트들을 설명했다.

GaN 기반 인버터가 농업용 드론에 사용하기에 유익하다는 것을 확인할 수 있다. 높은 주파수의 사인파 여자로 모터 효율을 향상시킴으로써 배터리 시간을 연장하도록 한다. 효율을 높이는 것과 더불어, 더 높은 PWM 주파수는 DC 링크의 크기를 줄이도록 한다. 그러므로 인버터의 크기와 무게를 줄이도록 하고, 결과적으로 드론의 크기와 무게를 줄이도록 한다. 

[참고문헌]

[1] https://www.fas.scot/downloads/uavs-in-agriculture-drone-based-agricultural-services/

[2] https://ohioline.osu.edu/factsheet/fabe-540

[3] U. Dampage, M. Navodana, U. Lakal and A. Warusavitharana, “Smart Agricultural Seeds Spreading Drone For Soft Soil Paddy Fields,”2020 IEEE International Conference on Computing, Power and Communication Technologies (GUCON), Greater Noida, India, 2020, pp. 373-377, doi: 10.1109/GUCON48875.2020.9231124. 

[4] https://ag.dji.com/t40

[5] F. Unnia, “Optimization of GaN-Based Inverters for BLDC Motor Drives” September 2023 Bodo’s Power Systems

[6] https://www.portescap.com/-/media/project/automation-specialty/portescap/portescap/pdf/whitepapers/wp_understanding_the_effect_of_PWM.pdf 

[7] https://epc-co.com/epc/products/demo-boards/epc9194

[8] https://epc-co.com/epc/products/demo-boards/epc9193

leekh@seminet.co.kr
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