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e-모빌리티용 모노리딕 GaN-on-Si 전원 스테이지 IC

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글/Alex Lidow, Ph.D., CEO, Michael de Rooij, Ph.D., Vice President of Applications, Efficient Power Conversion

머리말

브러쉬리스 DC(BLDC) 모터가 로봇, 드론, 전기 자전거, 전동 스쿠터 같은 애플리케이션에 점점 사용이 늘고 있다. 이 모든 애플리케이션들이 크기, 무게, 가격대, 효율을 중요하게 요구한다. 이러한 요구들을 충족하려면 모터를 구동하는 인버터를 높은 주파수로 작동해야 하는데, 그러려면 고주파 공통 모드와 유도 전류 흐름과 관련해서 과도한 손실, EMI, 원치 않는 기계적 마모를 방지하기 위해서 추가적인 필터링을 필요로 한다.
GaN FET과 IC는 하드 스위칭 토폴로지로 훨씬 더 높은 주파수로 동작하면서 과도한 손실을 발생시키지 않는다[1]. 최근에 Efficient Power Conversion(EPC)은 1MHz 스위칭과 위상당 최대 15ARMS 부하 전류가 가능한 새로운 모노리딕 GaN 하프브리지 ePower™ Stage IC를 출시했다[2].
작은 크기에 여러 기능이 통합된 이 IC를 사용함으로써 PCB 크기를 줄일 수 있다. 매우 높은 주파수를 사용해서 필터링 요구를 줄일 수 있다는 점에서 시스템 크기를 추가적으로 줄일 수 있다. 그러므로 전반적인 크기와 무게를 줄일 수 있다. 이 글에서는 400W BLDC 모터를 탑재한 전동 스쿠터를 애플리케이션 사례로 들어서 살펴보도록 하겠다(그림 1).

[그림 1] 전동 스쿠터로 EPC2152 ePower Stage IC를 사용한 400W BLDC 모터 탑재

BLDC 모터 용으로 높은 스위칭 주파수로 동작하는 모터 드라이브

BLDC 모터는 구조적으로 대부분 3위상 인버터를 사용해서 구동된다. 이것을 모터 드라이브라고 한다. 다양한 애플리케이션에 따라서 모터와 드라이브 시스템에 대한 요구가 달라진다. 예를 들어서 드론은 효율, 속도, 무게가 중요하고, 전기 자전거는 높은 효율과 높은 토크 성능이 중요하다.
많은 모터 드라이브가 20kHz로 동작하는데 높게는 60kHz까지도 이를 수 있다. 이 주파수를 선택하는 것은 특정 애플리케이션으로 목표로 하는 가격대, 전력 손실, 가청 한계, EMI 요건, 모터의 기계적 수명 극대화 같은 것을 고려해서 할 수 있다. 또 어떤 애플리케이션은 20kHz로 제한되었을 때 정밀도 같은 요구를 달성하기가 어려울 수 있고 그래서 더 높은 스위칭 주파수를 사용해야만 할 수도 있다.
높은 스위칭 주파수를 사용하면 다음과 같은 이점들이 가능하다:
• 리플 전류가 낮아짐으로써 AC 자기 손실을 낮출 수 있고, 그럼으로써 더 높은 모터 효율을 달성하고 동작 온도를 낮출 수 있다.
• 필터링 요구를 줄일 수 있으므로 필터의 크기를 줄이고 인버터의 크기와 무게를 줄일 수 있다.
• 높은 모터 주파수로 THD를 낮추고 가청 방사를 낮출 수 있다.
• 슬롯리스 모터 같은 새로운 유형의 인덕턴스가 낮은 모터를 지원할 수 있다[3].

GaN FET과 IC를 사용한 인버터 스위칭

그런데 높은 인버터 스위칭 주파수를 사용하면 단점은 인버터 동작 손실이 높아진다는 것이다. 특히 MOSFET을 사용할 때 그렇다. 이것은 주로 MOSFET의 역 복구 전하(QRR)와 여타의 동적 특성들 때문이다. GaN FET은 역 복구가 제로이고 하드 스위칭 손실이 낮으므로 고주파수 인버터의 이러한 한계점들을 극복할 수 있다. GaN FET이 이미 다수의 모터 드라이브에 채택되고 있다[4]-[8]. EPC가 새롭게 출시한 모노리딕 GaN 하프 브리지 전원 스테이지 IC는 인버터 크기와 무게를 줄이고 동작 주파수를 더더욱 높일 수 있으므로 인버터 디자인으로 한 차원 도약을 가져오게 되었다.
GaN FET의 다음 진화 단계로서 전력 FET과 하프 브리지 게이트 드라이버를 모노리딕으로 통합할 수 있다. 전원 스테이지의 모노리딕 통합은 다음과 같은 많은 이점들을 가져온다:
• 공통 소스 인덕턴스(CSI)를 거의 제거할 수 있으며 전원 루프와 게이트 루프 인덕턴스를 낮출 수 있다[1].
• 게이트 드라이버를 FET과 매칭시키고 EMI, 전압 스파이크, 효율에 대해서 스위칭 속도를 최적화하도록 설계할 수 있다. 그럼으로써 실제적으로 전이 시간을 짧게 할 수 있다.
• 전력 소모로 인한 열 소산을 향상시키고 최적의 FET을 사용해서 더 높은 효율을 달성할 수 있다. 이 점은 스텝다운 비율이 높은 컨버터에 특히 유용하다.
• 모든 8가지 스위치 노드 전이 이벤트에 대해서 dv/dt 견고성을 향상시킨다[9].
• 컨버터 솔루션으로 PCB 레이아웃을 간소화하고 어셈블리 부품 수를 줄인다.

EPC2152 GaN ePower™ Stage IC

그림 2(a)는 EPC2152 GaN ePower™ Stage IC의 블록 다이어그램을 보여준다[2]. 메인 FET들을 게이트 드라이버로 제어하고, IC 내로 입력 버퍼, 로직 인터페이스 + 파워 온 리셋(POR) + 저전압 록아웃(UVLO) 기능, 높은 전압과 높은 dv/dt가 가능한 제어 신호 레벨 쉬프터, 상측 게이트 드라이버로 적절한 전압을 달성하기 위한 동기 부트스트랩[10][11]을 포함한다. EPC2152 디바이스는 표준적 CMOS 또는 TTL 로직 레벨을 사용하는 디지털 컨트롤러로 인터페이싱할 수 있다. 그러므로 3.3V 신호 레벨을 사용하는 디지털 컨트롤러로나 또는 최대 12V에 이르는 전압 레벨을 사용하는 아날로그 컨트롤러로 직접적으로 구동할 수 있다.
그림 2(b)는 모노리딕 GaN 전원 스테이지 IC의 사진을 보여주는 것으로서 핀 할당을 알 수 있다. 크기는 3.9mm x 2.6mm로 10mm2에 불과하다. FET들은 80V 정격이고, 각각이 정격 RDSon이 10mΩ이다. 이 IC는 최대 15A의 피크 모터 위상 부하 전류를 전도할 수 있다.

[그림 2] (a) 모노리딕 GaN ePower™ Stage의 블록 다이어그램, (b) EPC2152의 모습[2]

그림 3은 e-모빌리티 용으로 고성능 BLDC 모터 드라이브 인버터의 블록 다이어그램을 보여준다.

[그림 3] BLDC 모터 드라이브 인버터의 블록 다이어그램

각각의 하프 브리지 전원 스테이지로 하나의 EPC2152 ePower Stage를 사용하며, 그림 4(b)에서 보듯이 몇 개의 커패시터만을 필요로 한다. 그림 5는 이 부분을 확대해서 보여준다. 션트를 사용해서 모터 위상 전류를 측정하고, 고성능 션트 증폭기를 사용해서 전압을 증폭한다. 간단한 전압 분할기 저항 네트워크를 사용해서 각기 위상에서 접지로 전압 측정을 한다. 전원 전압 측정도 마찬가지 방법으로 한다.
GaN FET은 dv/dt가 높으므로 LC 필터를 포함한다. 이 필터는 고조파 필터나 EMI 필터로 구성할 수 있으며, 라인 인덕터와 션트 커패시터로 이루어진다. EMI 필터로 구성할 때는 이 커패시터와 직렬로 저항을 사용한다. 그림 4(a)에서 이 필터를 볼 수 있다.

[그림 4] 3위상 BLDC 모터 드라이브 보드 모습

전동 스쿠터 용으로 ePower Stage를 채택한 BLDC 모터 드라이브

이 모터 드라이브는 15V~60V DC 입력으로 동작하도록 설계되었으며, 그림 1의 전동 스쿠터에 사용되는 것과 같은 400W BLDC 모터를 구동할 수 있다. 20kHz~1MHz 스위칭 주파수로 동작하고, 히트싱크를 부착하고서 모터의 각기 위상으로 15A의 피크 전류를 제공할 수 있다. 보드의 크기는 45mm x 55mm에 불과하다.
이 BLDC 드라이브로 달성 가능한 성능을 보여주기 위해서 인버터를 48V dc 전원 전압으로 동작하고 100kHz로 스위칭하고 20Hz의 사인파 변조 주파수를 사용해서 400W 모터를 구동했다. 하프 브리지의 데드 타임은 상승 에지와 하강 에지 모두로 10ns로 설정했다. 이것은 50ns로 스타트하는 MOSFET에 비해서 매우 짧은 것이다.
그림 6은 모터 변조 주파수 타임 스케일로 측정된 파형을 보여준다. 이 드라이브는 개방 루프로 동작하며 그러므로 동작할 때 발생되는 왜곡을 보정하기 위한 컨트롤러가 없다.
실제 조건에서는 이 드라이브로 위상당 RMS 모터 전류에 따른 전력 손실이 98.4%를 넘을 것으로 예상된다.

[그림 5] 인버터 보드로 EPC2152 ePower Stage와 지원 부품들을 확대한 모습

[그림 6] 모터 변조 주파수 타임스케일로 측정된 드라이브의 스위치 노드 및 위상 전류 파형, 48V DC 전원으로 동작하고 모터로 위상당 10ARMS 제공

맺음말

이 글에서는 GaN FET을 사용해서 BLDC 모터 드라이브로 높은 스위칭 주파수로 동작할 수 있다는 것을 설명하고, 하프 브리지 FET과 게이트 드라이버를 모노리딕으로 통합한 IC 제품을 사용해서 400W BLDC 모터를 구동하는 것을 살펴보았다. FET과 게이트 드라이버를 모노리딕으로 통합함으로써 드라이브로 스위칭 손실을 낮추고 높은 스위칭 주파수로 동작할 수 있다. 높은 스위칭 주파수로 동작하는데다 EMI 필터링을 줄임으로써 모터 손실을 낮추고, 높은 속도로도 가청 방사를 낮추고, 무게를 줄이고 공간을 절약할 수 있다. 그러므로 비용, 크기, 무게를 줄이면서 모터 하우징으로 손쉽게 통합할 수 있는 컴팩트한 드라이브 솔루션을 달성할 수 있다.
ePower Stage EPC2152 같은 GaN-on-Si 디바이스는 본격적인 전원용 시스템온칩으로 나아가기 위해서 한걸음 다가서고 있다. EPC는 앞으로 계속해서 추가적인 제품들을 내놓을 것이며, 매 새로운 제품마다 설계 시간을 단축하고 시스템 효율을 향상시키고 비용을 절감할 것이다. 바야흐로 디스크리트 트랜지스터의 시대가 종말을 고하고 있다.

[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] “EPC2152 ? 80 V, 10 A Integrated ePower™ Stage,” Efficient Power Conversion Preliminary Datasheet, Jan. 2020.
[3] “Achieving Optimal Motion System Performance with Low Inductance Motors,” Celera Motion Technical Note (TN-2002, Rev. 160630).
[4] “48-V, 10-A, High-Frequency PWM, 3-Phase GaN Inverter Reference Design for High-Speed Motor Drives,” Texas Instruments, document TIDUCE7B, November 2016, Revised April 2017.
[5] “Software-Defined Inverter features 3-Phase GaN Power Stage,” PowerPulse.net, March 20, 2018.
[6] “SDI TAPAS - Community Inverter,” Quick-Start Guide, Ver. 2.0, Siemens, June 2018.
[7] H. Ding, Y. Li, D. Han, M. Liu, and B. Sarlioglu,“ Design of a Novel Integrated Motor-Compressor Machine with GaN-Based Inverters,” 19th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE’17 ECCE Europe), September 2017.
[8] “BOOSTXL-3PhGaNInv Evaluation Module,” Texas Instruments, User’s Guide SLUUBP1A, June 2017?Revised April 2018.  
[9] M. A. de Rooij, Y. Zhang, “eGaNⓇ FET based 6.78 MHz Differential-Mode ZVS Class D AirFuel™ Class?4 Wireless Power Amplifier,” International Exhibition and Conference for Power Electronics, Intelligent Motion, Renewable Energy and Energy Management (PCIM - Europe), May 2016, pp 304 - 311.
[10] M. A. de Rooij, “Performance Comparison for A4WP Class-3 Wireless Power Compliance between eGaNⓇ FET and MOSFET in a ZVS Class D Amplifier,” International Exhibition and Conference for Power Electronics, Intelligent Motion, Renewable Energy and Energy Management (PCIM - Europe), May 2015.
[11] M.A. de Rooij, J.T. Strydom, D.C. Reusch, “High Voltage Zero QRR bootstrap Supply,” United States Patent US9,667,245 B2, May 30, 2017

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