와이드 밴드갭 장치로 모터 제어 설계 향상

모터 제어 시스템은 점점 더 복잡해지고 있는 IGBT, WBG 반도체 및 MCU를 포함한 소프트웨어 및 하드웨어 구성 요소로 구성됩니다.

모터 제어는 Industry 4.0의 기술 개발에서 중요한 전략적 역할을 합니다. 산업 발전의 한 가지 주요 관심사는 에너지 사용입니다. 전기 소비는 부분적으로 산업용 전기 모터의 전기 수요로 인해 크게 증가하고 있습니다. 이러한 수요 증가의 결과로 모터 제어 분야에서 효율적인 솔루션을 찾는 것이 개발자와 부품 제조업체 모두에게 최우선 과제입니다.

에너지 소비와 함께 상당한 노력이 필요한 많은 전자 기술과 관련된 엄격한 제어 요구 사항으로 인해 설계 복잡성이 증가하고 있습니다. 한 가지 예는 WBG(광대역갭) 재료의 사용입니다.

기능적 관점에서 모터 제어는 여러 수준으로 구성됩니다. 예를 들어, 모션 제어는 매우 정교하고 계산 집약적인 제어 알고리즘의 실행을 필요로 합니다. 모터 제어는 팬과 펌프의 단순한 제어에서 로봇 공학 및 서보 메커니즘을 포함한 산업 제어의 보다 복잡한 문제에 이르기까지 광범위한 응용 분야를 포괄합니다. 여기에서는 모터 제어 시스템의 핵심 구성 요소를 살펴보겠습니다.

모터 및 드라이버

DC 모터는 가장 일반적이며, 고정자(고정 부품)(영구 자석)와 전류를 공급하는 정류자에 연결된 권선을 수용하는 움직이는 부품(회전자)으로 구성되어 있기 때문에 가장 일반적입니다. 모터의 속도 제어는 직류를 조절하여 이루어집니다. 이를 위해 그리고 애플리케이션의 특성에 따라 풀 브리지, 하프 브리지 또는 스텝다운 컨버터가 DC 모터를 구동하는 데 사용됩니다.

AC 모터는 기본적으로 AC 전압에 연결된 1차 섹션과 유도된 2차 전류를 전도하는 2차 섹션이 있는 변압기로 구성됩니다. 마이크로프로세서 기반 전자 장치, 인버터 및 신호 조절이 이 모터의 속도를 제어하는 ​​데 사용됩니다.

컨트롤러는 제어 시스템에서 "두뇌" 역할을 하는 전자 장치입니다. 사용되는 컨트롤러의 수는 제어해야 하는 개별 프로세스의 양에 따라 다릅니다. 복잡한 시스템의 경우 수많은 컨트롤러가 있을 수 있습니다. 이러한 각 컨트롤러는 모터에 명령을 보내는 동시에 액추에이터 자체에서 명령을 수신할 수 있습니다.

산업용 애플리케이션에 사용되는 로봇 시스템은 주로 교류 전압(AC)으로 구동되는 3상 모터를 사용합니다. 예를 들어, 그림. 1 는 전용 마이크로컨트롤러(MCU)가 PWM 신호를 생성하는 전자 제어 회로의 블록도를 보여줍니다. MCU의 대안으로 DSP 또는 FPGA 솔루션은 복잡한 디지털 필터링 알고리즘을 구현하는 데 더 적합합니다.

그림 1:AC 전원 3상 유도 모터 제어의 블록 다이어그램(출처:Texas Instruments)

DC 모터에 대한 컨트롤러의 예로는 필드 지향 제어(또는 벡터 제어). 이 모듈은 단상 DC 모터, 2상 바이폴라 스테퍼 ​​모터 및 3상 브러시리스 DC(BLDC) 모터를 지원합니다(그림 2 ).

IGBT

절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)는 전력 제어 전자 장치의 진정한 혁신을 구현합니다. 스위칭 솔루션으로서 혁신은 높은 스위칭 주파수에서 비롯됩니다. IGBT는 복잡한 모터 제어 문제를 해결하는 데 적합한 전력 제어 장치의 기본 기능을 나타냅니다.

최신 솔루션은 전기 모터를 구동하기 위해 인버터를 구현할 때 자동차 부문과 같이 특히 극한 사용 조건에서 동작의 안정성과 스위칭 속도 사이의 우수한 관계를 발전시켰습니다. 한 가지 예는 STMicroelectronics의 1,200V IGBT S 시리즈입니다. 이 IGBT는 낮은 주파수(최대 8kHz)에서 사용하도록 최적화되었으며 낮은 V _ce(sat) . 1,200V IGBT S 시리즈는 3세대 트렌치 게이트 필드 스톱 기술을 기반으로 합니다.

GaN 및 SiC

그러나 WBG 재료인 질화갈륨 및 탄화규소는 실리콘 기반 장치를 대체하기 위해 모터 제어 응용 분야에 진출하고 있습니다. 전력 전자 분야에서 WBG 재료가 제공하는 주요 이점에는 낮은 전력 손실, 높은 효율성, 높은 스위칭 주파수, 보다 작은 크기, 높은 작동 온도(실리콘이 달성할 수 있는 150°C 상한선 훨씬 초과), 어려운 작동 조건에서 더 높은 신뢰성 등이 있습니다. 및 높은 항복 전압.

예를 들어, GaN HEMT(고전자 이동도 트랜지스터)의 전자 이동도가 높으면 일반적으로 접합부에 축적되는 전하가 더 빨리 분산될 수 있으므로 스위칭 속도가 빨라집니다. 더 빠른 상승 시간, 더 낮은 드레인-소스 온 저항(R _DS(on) ) 값, GaN으로 달성할 수 있는 감소된 게이트 및 출력 커패시턴스는 모두 낮은 스위칭 손실과 실리콘보다 최대 10배 더 높은 스위칭 주파수에서 작동하는 능력에 기여합니다.

전력 손실을 줄이면 더 효율적인 전력 분배, 더 적은 열 발산, 더 간단한 냉각 시스템과 같은 추가적인 이점이 있습니다. 많은 모터 제어 응용 프로그램에는 장치의 안전한 작동 한계 내에서 작동하기 위해 강제 공기 냉각을 제공하는 팬이 필요합니다. GaN을 사용하면 전력 손실을 줄이고 전자 드론과 같은 경량 애플리케이션에서 특히 중요한 "팬 없는" 작동을 가능하게 할 수 있습니다.

산업 전력 애플리케이션에서 전자 설계자는 IGBT와 같은 기존 Si 기반 솔루션보다 상당한 효율 개선, 더 작은 방열판 크기 및 더 낮은 비용을 제공하는 SiC MOSFET을 사용하여 이점을 얻을 수도 있습니다. SiC 기술로 매우 낮은 R _DS(on) 달성 단위 면적당, 높은 스위칭 주파수 및 바디 다이오드의 턴오프에 따라 발생하는 역 복구 단계 동안 무시할 수 있는 에너지 손실.

모터 제어 및 전력 제어 애플리케이션에서 SiC 장치를 사용하는 것은 에너지 절약, 크기 감소, 더 높은 집적도 및 신뢰성과 같은 기능 덕분에 진정한 혁신입니다. 이러한 기능으로 인해 자동차 및 산업 자동화 제어와 같은 고신뢰성 부문에 매우 적합합니다.

산업용 드라이브에서는 켜기 및 끄기 정류 속도에 특히 주의해야 합니다. 사실, SiC MOSFET dV/dt는 IGBT보다 훨씬 더 높은 수준에 도달할 수 있습니다. 적절하게 처리되지 않으면 고-커뮤테이션 dV/dt는 긴 모터 케이블에서 전압 스파이크를 증가시키고 시간이 지남에 따라 권선 절연 및 모터 베어링에 고장을 유발하는 공통 및 차동 모드 기생 전류를 생성할 수 있습니다. 더 빠른 켜기/끄기로 효율성이 향상되지만 산업용 드라이브의 일반적인 dV/dt는 안정성을 위해 5~10V/ns로 설정되는 경우가 많습니다.

STMicroelectronics가 2개의 유사한 1.2kV 전력 트랜지스터(SiC MOSFET 및 Si 기반 IGBT)에 대해 수행한 비교에 따르면 SiC MOSFET 장치는 5V/ns의 부과된 조건에서도 Si IGBT(그림 3 ).

그림 3:2단계, 3상 인버터 기반 드라이브(출처:STMicroelectronics)

일반적으로 모터 제어 및 전력 제어 애플리케이션에서 SiC 장치를 사용하는 것은 에너지 절약, 크기 감소, 통합 기회 및 신뢰성과 같은 기능 덕분에 진정한 혁신입니다. 다른 옵션 중에서 이제 연결된 모터에 대해 인버터 회로에서 최적의 스위칭 주파수를 사용할 수 있으므로 모터 설계에 중요한 이점이 있습니다.

예를 들어, 1,200V에 최적화된 D²PAK-7 SMD 패키지에 .XT 상호 연결 기술이 포함된 Infineon Technologies의 SiC 기반 CoolSiC MOSFET은 서보 드라이브와 같은 전력 밀도가 중요한 모터 드라이브 부문에서 수동 냉각을 가능하게 하여 로봇 공학 및 자동화 산업을 지원합니다. 유지보수가 필요 없고 팬이 없는 모터 인버터 구현 시(그림 4 ).

자동화에서 팬이 없는 솔루션은 유지 관리 및 재료에 대한 비용과 노력을 절감한다는 사실에 힘입어 새로운 설계 기회를 가능하게 합니다. .XT 상호 연결 기술이 포함된 Infineon의 CoolSiC 트렌치 MOSFET 칩 솔루션은 소형 폼 팩터에서 매력적인 열 성능을 제공하므로 예를 들어 로봇 팔의 드라이브 통합에 적합합니다. CoolSiC MOSFET SMD 장치는 3µs의 단락 저항 시간을 가지며 정격은 30mΩ ~ 350mΩ입니다. 이는 서보 모터의 요구 사항을 충족합니다.

그림 4:모든 작동 모드에서 전도 손실 감소(출처:Infineon Technologies)

마이크로컨트롤러

모터 제어 솔루션은 하드웨어 및 소프트웨어 구성 요소로 구성됩니다. 하드웨어 구성 요소는 IGBT, SiC 및 GaN MOSFET, 전력 다이오드 등과 같은 전자 제어 장치이고 소프트웨어 구성 요소는 점점 더 복잡해지고 정교해지는 하드웨어 제어를 처리합니다. 전원 장치의 제어 및 관리에 최적화된 컴퓨팅 아키텍처를 사용할 수 있으므로 개발자는 제어 분야에서 불가능한 성능을 얻을 수 있습니다.

NXP Semiconductors와 Renesas Electronics의 몇 가지 예가 있습니다. NXP의 MPC57xx 32비트 프로세서 제품군은 다른 자동차 제어 및 기능 관리 가능성 외에도 자동차 및 산업용 파워트레인 애플리케이션을 위한 Power Architecture 기술을 기반으로 합니다. 프로세서는 AEC-Q100 품질, 변조 방지를 위한 온칩 보안 암호화 보호, ASIL-D 및 SIL-1 기능 안전 지원(ISO 26262/IEC 61508)을 제공합니다. 이더넷(FEC), 이중 채널 FlexRay 및 최대 6개의 SCI/8 DSPI/2 I ² 제공 다른 통신 프로토콜의 경우 C.

Renesas는 고성능 및 정밀 모터 제어에 최적화된 주변 장치 모음과 함께 120MHz에서 작동하는 Arm Cortex-M4 코어를 기반으로 하는 RA6T1 32비트 MCU를 제공합니다. 단일 RA6T1 MCU는 최대 2개의 BLDC 모터를 동시에 제어할 수 있습니다. 또한 TinyML 애플리케이션용 Google TensorFlow Lite Micro 프레임워크는 RA6T1 MCU에 향상된 오류 감지 기능을 추가하여 고객에게 예측 유지보수를 위한 지능적이고 사용하기 쉽고 비용 효율적인 센서리스 모터 시스템을 제공합니다.

모터 요구 사항은 애플리케이션에 따라 다르며 특정 사용 사례에 맞게 최적화하고 미세 조정해야 할 수 있습니다. 시장은 이러한 요구 사항을 충족하기 위해 IGBT, WBG 반도체 및 MCU 측면에서 여러 솔루션을 제공합니다. 그러나 더 많은 진단, 예측 유지보수 및 AI, 기능 안전 시스템을 가능하게 하는 동시에 프로세서에서 실시간 중요 작업을 오프로드하는 새로운 하드웨어를 개발해야 합니다.

>> 이 기사는 원래 자매 사이트인 Power Electronics News에 게시되었습니다.

---

관련 콘텐츠:

• 현장 중심 제어 알고리즘으로 EV 파워트레인 성능을 매끄럽게
• 산업용 로봇 모터 제어를 단순화하는 레퍼런스 디자인
• BLDC 모터 드라이버 설계를 용이하게 하는 소프트웨어
• 드론의 전자식 속도 제어 장치 설계의 핵심 요소

더 많은 Embedded를 보려면 Embedded의 주간 이메일 뉴스레터를 구독하세요.