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SmartDrive - 가변속 드라이브의 전력 스테이지를 위한 최상의 유연성 제공

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글/Ingo Skuras, 인피니언 테크놀로지스

모터 드라이브의 에너지 소비 효율을 향상시키려는 추세가 이어지면서 가변속 드라이브의 전력 스테이지를 위한 다양한 디바이스가 선보이고 있다. 새로운 SmartDriver와 같은 통합 솔루션은 거의 모든 MOSFET과 IGBT를 제어하고 구동하는 매우 유연한 방법을 제공한다.

지난 수십 년 동안 모터 드라이브에 사용된 전기 에너지가 전 세계에서 차지하는 비율은 일정하게 이어져 왔을 뿐 아니라 실제로 증가했다. 몇 년 전 연구에 의하면 전 세계 전기 에너지 소비에서 이 비율은 43%에서 46% 사이였지만, 현재 최근 이 수치가 50%를 넘어선다는 것을 보여준다. [1] 이러한 추세는 자가용과 상업용 차량의 전기화와 같은 뚜렷한 예에 의해 촉진되고 있지만, 실제로 가장 많은 수의 전기 모터는 소형 및 주요 가전제품과 같은 애플리케이션과 심지어 빠르게 성장하는 데이터 센터의 냉각 팬과 펌프와 같은 덜 눈에 띄는 애플리케이션에서 볼 수 있다.

한편 이러한 드라이브에서 소비하는 에너지 양을 줄이는 것은 점점 더 엄격해지는 규제로 인해 필수적이 되었다. 다른 한편으로 기업은 ‘그린’ 설계, 즉 에너지 효율이 높은 장치와 가전제품에 초점을 맞춤으로써 높아진 고객의 인식에 대응하고 있다.

반도체 업계는 각 전력 등급에 맞는 다양한 전력 소자를 내놓으면서 이러한 시장의 요구에 대응해 왔다. 실리콘 MOSFET과 IGBT의 꾸준한 향상과 더불어 SiC MOSFET 또는 GaN HEMT 같은 와이드 밴드갭 디바이스는 성능이 주요한 장점이 될 수 있는 애플리케이션에서 인기가 높아지고 있다. 전력 스테이지 외에 전체 드라이브 인버터의 구성은 게이트 드라이버, 컨트롤러 및 개별적인 제어 알고리즘을 포함하여 추가적인 시스템 구성요소를 필요로 한다. 새로운 iMOTION™ SmartDriver 제품군 IMD110(그림 1)은 이러한 세 가지 빌딩 블록을 통합하여 광범위한 전력 스테이지에 매우 작으면서 고도로 유연한 드라이브 솔루션을 제공한다.

[그림 1] SmartDriver 모터 인터터 블록 다이어그램

애플리케이션 요구사항이 전력 소자의 선택을 정의한다

지난 몇 년 동안 와이드 밴드갭 디바이스는 많은 주목을 받았으며, 디바이스의 기술적 이점을 소개하는 많은 글들이 발표됐다. 매우 낮은 스위칭 또는 전도 손실, 상당히 높은 스위칭 속도를 포함한 이러한 이점은 자동차에서 더 긴 주행 거리를 달성하는 데 핵심적인 자동차의 전기 드라이브 트레인과 같은 애플리케이션에서 그 가치가 드러난다.

하지만 비용 성능비가 중요한 대용량 시장에서 실리콘 디바이스는 지배적인 기술로서 역할을 유지하고 있다. 최신 CoolMOS™ PFD7 제품군 또는 650V TRENCHSTOP™ IGBT6 및 600V 역 전도 드라이브 2(RC-D2)와 같은 차세대 고전압 MOSFET은 실리콘 기술이 분명 수명 주기의 끝에 있지 않으며 새로운 세대가 거듭될수록 크게 향상된다는 것을 보여준다(그림 2). [2, 3]

[그림 2] 최신 CoolMOS™ PFD7 MOSFET는 최대 2%의 효율을 향상시킨다.

드라이브 인버터를 구현하거나 단순한 온-오프 모터에서 인버터 구동 시스템으로 전환하는 고객에게 적합한 전력 소자를 선택하는 일은 상당히 까다로운 과제일 수 있다. ‘최고의 디바이스’ 같은 것은 없으며, 오히려 권장되는 전력 트랜지스터 유형은 특정 애플리케이션에 따라 달라진다고 말할 수 있다. 이제 가전제품 시장의 두 가지 일반적인 모터 애플리케이션인 공기 청정기 팬과 냉장고나 에어컨을 위한 냉각 컴프레서를 살펴보기로 한다.

팬은 고속 모터를 사용하므로 고속 구동 방식이 필요하다. 또한 실제 위상 전류가 매우 낮기 때문에 MOSFET의 타겟 애플리케이션이 된다. 한편, 컴프레서는 상당히 느린 회전 속도로 상당한 토크를 공급해야 하므로 이를 구동하는 PWM 스위칭 속도 역시 낮다. 컴프레서에 사용된 예전의 냉각 액체는 오존층에 나쁜 영향을 미친다. 규제에 따라 환경 친화적인 새로운 냉매가 도입되었다. 이러한 냉매는 높은 유전 상수를 보여주므로 전력 스테이지의 실제 스위칭 속도를 제한할 필요가 있다. 이러한 요구사항은 분명 위에서 언급한 650V TRENCHSTOP™ IGBT6/600V RCD2 제품군과 같은 IGBT의 사용에 유리하다는 것을 보여준다. 그림 3은 게이트 저항을 변경하여 스위칭 속도를 조정하는 예를 보여준다.

[그림 3] 게이트 저항을 변경하여 EMI를 최적화

물론 위의 두 가지 예처럼 선택이 항상 명확한 것은 아니다. 비용, 가용성, EMI 특성과 같은 여러 가지 다른 요소들이 전력 스테이지를 구현하는 선택에 영향을 줄 수 있다.

다양한 전력 소자는 최적의 성능을 달성하기 위해 특정한 구동 방식을 필요로 한다. SmartDriver는 시스템 성능과 비용 간 최적의 균형에 도달하도록 다양한 게이트 구동 방식을 구현하고 세밀하게 조정할 수 있다.

안전 동작 영역(SOA)이 넓은 SOI 게이트 드라이버

IMD110 제품군에 통합된 게이트 드라이버는 인피니언의 SOI(silicon-on-insulator) 기술을 사용한다. 이 레벨 시프트 기술은 통합된 부트스트랩 다이오드(BSD)와 업계 최고 견고성을 포함하여 네거티브 과도 전압 스파이크로부터 보호하는 고유의 이점을 제공한다. 각 트랜지스터는 매립된 실리콘 다이오드에 의해 절연되므로 래치업을 일으킬 수 있는 기생 바이폴라 트랜지스터가 필요 없다.

실제 인버터 회로에서 VS 전압 스윙은 네거티브 DC 버스의 레벨에서 멈추지 않고 네거티브 DC 버스 레벨 아래로 스윙한다. 이러한 언더슈트 전압을 ‘네거티브 VS 과도전압’이라 한다. 그림 4에서는 인피니언의 시스템 검증 실험실에서 사용된 테스트 구성과 특징적인 -VS 파형을 볼 수 있다.

[그림 4] 네거티브 전압 - VS 과도 전압 검증

그림 5에서 보듯이 큰 안전 동작 영역은 300ns 동안 최대 -100V까지 펄스에 대한 인피니언 SOI의 탁월한 네거티브 VS 과도전압 내성의 결과이다. 공통 모드 과도전압 내성(CMTI)은 보통 50V/ns이다.

[그림 5] SOI 기반 게이트 드라이버 NTSOA (negative transient safe operating area)

또한 하이사이드 드라이버 회로에 전력을 공급하는 부트스트랩 다이오드를 통합하고 있어 BOM 비용과 보드 복잡성을 줄여준다. RBS가 40Ω 이하인 매우 낮은 다이오드 저항은 최저 레벨 시프트 전력 손실과 함께 디바이스의 스위칭 전력 소모를 최소화하고 과열의 위험 없이 더 큰 IGBT를 구동할 수 있게 한다. [5]

열 특성 모니터링(그림 6) 및 과열 발생 시 대응은 모션 제어 엔진(MCE, Motion Control Engine)과 게이트 드라이버를 이미 통합하고 있는 IMD110 제품군의 뛰어난 이점이다. 구체적 애플리케이션 사용 사례에 따라 이러한 대응은 완전 셧다운일 필요는 없지만, 온도가 지정된 범위로 돌아올 때까지 특수한 구동 방식을 실행함으로써 스위칭 손실을 감소시킬 수 있다.

[그림 6] SOI 게이트 드라이버는 이전 세대의 거의 절반 온도에서 동작함

드라이브 인버터를 설계하려면 컨트롤러, 게이트 드라이버, 전력 스테이지의 선택 및 PCB 설계와 함께 각각의 소프트웨어 개발이 필요하다. SmartDriver 제품군은 이러한 과정을 적합한 전력 스테이지 선택과 각 모터에 대한 모션 제어 엔진의 구성으로 줄여준다. SmartDriver는 매우 넓은 전압 범위를 지원하므로 가장 많은 수의 가능한 애플리케이션을 처리할 수 있다. IMD110 시리즈는 DC 버스에 대해 12 ~ 600V의 지정된 범위를 가지므로 배터리 구동 방식뿐 아니라 주전원에 연결된 가변속 드라이브의 대부분을 제어할 수 있다.

전압 레귤레이터를 통합한 SmartDriver는 단일 공급 전압만 필요로 하므로 최소 하드웨어 BOM으로 최저 비용 솔루션을 구현할 수 있다. 최고 에너지 효율을 목표로 하는 애플리케이션의 경우 내부 레귤레이터를 비활성화하고 외부 스위치 모드 전원으로 대체할 수 있다.

모션 제어 엔진(MCE) - 현장에서 입증된 모터 제어

통합된 모터 컨트롤러는 현재의 모든 iMOTION 제품을 구동하는 최신 모션 제어 엔진(MCE)을 사용한다. 첫 출시 후 거의 15년에 걸쳐 MCE는 이미 전 세계 수백 만 대의 가전제품을 실행하는 현장에서 입증된 신뢰할 수 있는 견고한 알고리즘을 제공하고 있다. 인피니언은 IR(International Rectifier)을 인수 통합한 후 MCE를 포함한 iMOTION 포트폴리오를 완전히 업데이트했으며 여러 신제품을 시장에 내놓았다.

고도로 구성 가능한 특성 외에도 최신 MCE 구현은 빌딩 블록을 모듈 시스템으로 구현해 기본 프레임워크를 통해 서로 연결할 수 있다. 따라서 개별 모듈을 더 쉽게 유지할 수 있고, 고객이 요청하는 기능 빌딩 블록은 기존 모듈을 방해하지 않으면서 시스템에 추가할 수 있다.

전력 소자의 효율을 끊임없이 높이려는 경쟁에서 MCE는 효율적인 자속 기준 제어(FOC, field-oriented control) 방식으로 첨단 모터 제어를 구현한다. 전력 스테이지는 공간 벡터 변조를 기반으로 구성 가능한 PWM 출력을 통해 구동된다. 최대 유연성을 목표로 MCE는 가장 비용 효율적인 인버터를 위해 단일 션트 전류 재구성과 센서 없는 동작을 사용한다. 더 까다로운 애플리케이션을 위해 아날로그뿐 아니라 디지털 홀 센서에 대한 지원이 포함되며, 레그 션트 또는 위상 출력 전류 측정도 지원된다.

MCE는 디바이스에 저장된 파라미터를 통해 거의 모든 PMSM 모터와 전력 스테이지에 대해 구성할 수 있다. 파라미터 세트를 통한 구성은 역률 보정(PFC) 옵션을 포함한다. SmartDriver는 다양한 드라이브 프로파일에 대한 여러 파라미터 세트를 저장하여 자율적으로 또는 외부 명령에 반응하여 파라미터 간에 전환할 수 있다. 이러한 방식으로 사전 프로그래밍된 단일 디바이스는 여러 개의 다른 인버터에 대한 구성을 저장한 다음, 가령 IO 핀 상태 감지에 따라 올바른 구성을 자동으로 선택할 수 있다.

MCE의 구현은 특히 모터 컨트롤러로서 애플리케이션에 적합한 하드웨어와 소프트웨어 모듈의 균형 잡힌 조합을 사용한다. 이와 같이 뚜렷하게 애플리케이션에 초점을 맞춤으로써 이미 통합된 아날로그 비교기, 증폭기 또는 특수한 디지털 필터와 같은 구성요소에 대한 최종 BOM을 줄어준다.

긍정적인 효과로서 고성능 하드웨어 블록의 사용은 중앙 제어 블록 CPU에 많은 헤드룸을 남겨준다. 새로운 iMOTION 제품은 사용 가능한 자원을 사용하여 스크립팅 엔진을 도입한다. 스크립트 작성은 개별 모터 및/또는 PFC 구성을 위해 SmartDriver의 실제 구성을 넘어 상당한 수준의 유연성을 고객에게 제공한다.

스크립트 언어는 이해하기 쉬운 ‘C’ 스타일 구문을 사용하므로 센서 입력 읽기, 출력 전환 또는 원격 호스트와의 통신과 같은 작업이 가능하다. 또한 MCE 파라미터에 액세스하여 특수한 시동 절차를 구현하기 위해 가동 시간 중에 모터 동작을 수정할 수 있다. 스크립트 엔진은 두 개의 병렬 작업을 실행할 수 있는데, 하나는 1ms의 최소 사이클 시간을 가지며 다른 하나는 10ms마다 실행된다.

스크립트는 작은 가상 머신과 유사하게 MCE의 백그라운드 작업으로 실행하는 스크립트 엔진에서 실행된다(그림 7). 따라서 하드웨어를 추가하는 비용 없이, 모터와 PFC 제어 알고리즘을 방해하지 않으면서 추가적인 유연성을 얻을 수 있다.

[그림 7] 스크립트 엔진 구현

모션 제어 엔진은 지속적으로 향상되고 있다. 새로운 iMOTION 포트폴리오로 첫 번째 제품을 출시한 이후, 설계자는 애자일 소프트웨어 개발과 같은 최신 개발 원칙을 채택했다. 스프린트 릴리스의 사용으로 특정 고객의 요구에 훨씬 쉽게 응답할 수 있게 되었으며, 매년 수 회에 걸친 출시 사이클을 유지하고 있다. 모든 iMOTION 소프트웨어 릴리스는 인피니언 웹사이트에서 다운로드할 수 있으므로 고객은 최신 MCE 버전을 사용하거나 특정 개정판을 계속 사용할 수 있다. 

최신 가전제품이나 임베디드 드라이브에서 MCE는 더 이상 ‘모터 가동’에만 한정되지 않는다. MCE의 이어지는 개발은 제어 알고리즘의 향상뿐 아니라 곧 출시될 전력 소자에 대한 지원을 목표로 한다. 고객은 드라이브의 상태에 대한 심층적이고 즉각적인 지식을 갖게 됨으로써 온디맨드 유지보수 및 종량제 모델 지원과 같은 시스템 수준에서 문제점을 해결할 수 있다.

보호 및 기능 안전 통합

열 보호의 측면에서, 간단히 설명하면, SmartDriver 제품군 IMD110은 전력 스테이지와 모터를 안전하게 보호하는 완벽한 일련의 드라이브 보호 조치를 제공한다. 애플리케이션 요구사항, 효과 및 사용 편의성을 기반으로 하드웨어와 소프트웨어 조치가 혼합되어 구현된다. 예를 들어 교차 전도 방지 또는 최소 데드 타임은 빠르고 견고하면서 주기별로 동작해야 하므로 이러한 작업은 하드웨어에서 수행된다. 이는 순수하게 하드웨어와 관련되고 저전압 록아웃과 같은 실행 소프트웨어에 의존할 수 없는 보호의 경우이기도 하다. 

한편 MCE는 애플리케이션에 특정하거나 구성할 필요가 있는 보호 조치를 포함한다. 여기에는 앞서 언급했듯이 실행 모니터링, 회전자 잠금, 링크 브레이크 보호 또는 온도 모니터링 등이 포함된다.

오늘날의 글로벌 경제에서 점점 더 많은 기업들이 현지 시장뿐 아니라 다른 지역에 제품을 공급하고 있다. 이는 기능 안전 규정을 만족해야 하는 요구로 이어진다. 가전제품에 대한 가장 일반적인 표준은 UL/IEC60730-1 클래스 B이다. [7]

iMOTION 제품과 표준 마이크로컨트롤러의 주요 차이점 중 하나는 iMOTION 모터 제어 디바이스가 그 자체로 기능적인 빌딩 블록이라는 점이다. 이에 따라 ‘모터 제어 빌딩 블록’을 기능적으로 안전한 구성요소로서 인증 받을 수 있는 방식으로 정의할 수 있다.

이는 표준 마이크로컨트롤러(MCU)에 비해 명백한 이점이다. 표준 MCU의 경우 공급업체가 개별 안전 기능을 구현하는 C 라이브러리를 제공하지만 드라이브 제조업체는 드라이브 애플리케이션에 기능을 통합한 다음 인증을 신청해야 한다. 사용 가능한 iMOTION 안전 인증서는 전체 가전제품의 인증 노력을 크게 줄여준다. iMOTION SmartDriver를 사용하는 고객은 개별 안전 표준을 만족하기 위해 확인된 하드웨어와 소프트웨어에 의존할 수 있다.

안전이 필요하지 않은 경우 안전 기능의 사용을 구성할 수 있다. 개별적인 기능을 간단히 비활성화하여 모터와 PFC 계산 또는 통합된 스크립팅 엔진을 위한 더 많은 헤드룸을 남겨둘 수 있다.

설계 지원

인피니언은 모듈러 애플리케이션 디자인 키트(MADK, 그림 8)라고 하는 모터 제어 애플리케이션을 위한 완벽한 설계 플랫폼을 제공한다. MADK 표준화된 플랫폼 인터페이스를 다양한 제어 및 전원 보드와 함께 사용하여 애플리케이션의 요구와 완벽하게 일치하는 시스템을 만들 수 있다.

       

[그림 8] SmartDriver MADK (Modular Application Design Kit)

전원 보드의 정격은 저전압 애플리케이션의 소형 모터에서부터 컴프레서나 소형 산업용 드라이브와 같은 애플리케이션의 최대 수 킬로와트에 이르는 전체 범위를 지원한다. 전력 정격, 전압 등급 및 일반 애플리케이션 구성에 따라 보드는 광범위한 인피니언 포트폴리오에서 디스크리트 디바이스 또는 모듈을 사용한다.

SmartDriver 제품군의 경우 역률 보정(PFC) 기능이 포함되어 있거나 없는 두 가지 제어 보드를 사용할 수 있다. 다양한 디스크리트 전력 스테이지를 특징으로 하는 여러 가지 전원 보드를 사용할 수 있으며, 현재 설계 단계에 있는 것도 있다. 전원 보드는 600V/600mΩ 정격의 CoolMOS CFD7 MOSFET(IPN60R600PFD7S)을 적용하고, 저전압 애플리케이션에는 60V/3.3mΩ 정격의 OptiMOS 5 MOSFET (IPD033N06N)을 사용하는 고전압 드라이브를 대상으로 한다. 고전력 애플리케이션은 액티브 부스트 PFC를 포함하는 IGBT 기반 보드를 적용한다. IGBT는 최신 TRENCHSTOP 600V RCD2 세대 제품이다. [6]

임베디드 모션 제어 엔진(MCE)을 위한 구성 툴은 인피니언 웹사이트에서 다운로드하여 사용할 수 있다. 사용하기 쉬운 MCEWizard는 초기 구성을 생성하도록 도와주고, MCEDesigner는 실행 시스템에 연결하여 실행 중인 모터 드라이브에 대한 통찰을 제공한다. 오실로스코프를 사용하여 물리적 및 계산 파라미터를 모두 측정하고 모니터링할 수 있다. SmartDriver의 개별 파라미터를 수정하여 드라이브를 타겟 애플리케이션 성능에 맞추어 조정할 수 있다.

인피니언은 현재 이러한 차세대 툴을 개발하고 있다. 이전의 개별적인 툴을 단일한 워크벤치로 결합하여 훨씬 향상된 사용자 경험을 허용하고 매끄러운 구성과 파라미터, 데이터 처리를 제공한다. 통합된 에디터와 디버거는 스크립팅 지원을 제공한다. 새로운 생태계는 숙련된 사용자를 위한 향상된 튜닝 기능과 더 많은 맞춤 옵션으로 추가적인 사용 사례를 제공한다.

요약

모터는 전 세계적으로 전기 에너지를 가장 많이 소비하는 분야이다. 변속 제어로 효율을 높이면 생태 발자국을 줄이는 데 많은 영향을 미칠 수 있다.

SmartDriver IMD110은 다양한 종류의 전력 소자를 구동할 수 있는 고도로 통합된 솔루션이다. 이 제품군은 넓은 동작 전압 범위와 유연한 구성을 제공한다. 또한 게이트 드라이브 회로에 액세스하면 전력 스테이지 스위칭을 세밀하게 튜닝할 수 있다. 이러한 기능의 결합으로 최소 노력과 낮은 BOM을 필요로 하는 드라이브 인버터를 구현할 수 있다.

iMOTION 제품 포트폴리오는 속도 제어 모터 드라이브를 구현하는 쉬운 방법을 제공한다. 인피니언 테크놀로지스는 컨트롤러에서부터 패키지로 제공되는 인버터까지 하드웨어 솔루션 제품을 더욱 확장하고 있다. 그와 함께 바로 사용할 수 있는 모터 제어 소프트웨어인 모터 제어 엔진(MCE)은 기존 제품은 물론 향후 새로운 하드웨어 제품에 대한 지속적인 향상과 추가적인 기능을 보장한다. 

참고 문헌

[1] Energy-Efficiency Policy Opportunities for Electric Motor-Driven Systems, IEA, 2011

[2] www.infineon.com/CoolMOS

[3] www.infineon.com/RCD2 

     Introduction to discrete 650 V TRENCHSTOP™ IGBT6 and 600 V reverse conducting IGBT 

[4] RCD2 families, Infineon Technologies AG, 2020

[5] Advantages of Infineon’s high-voltage gate driver ICs (HVICs) based on its silicon-on-insulator (SOI) technology, Infineon Technologies AG, 2019

[6] www.infineon.com/MADK 

[7] UL listing, www.ul.com 

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