와이드 밴드갭 반도체, 모터 제어 설계 혁신 주도

모터 제어 시스템은 IGBT, 와이드 밴드갭(WBG) 반도체, 마이크로컨트롤러(MCU) 등 소프트웨어와 하드웨어로 구성되며 그 복잡성이 지속적으로 증가하고 있습니다.

인더스트리 4.0 시대의 모터 제어

인더스트리 4.0 시대에 모터 제어는 디지털 전환의 핵심입니다. 산업용 전기 모터의 전 세계 전력 수요가 지속적으로 증가함에 따라 에너지 효율이 최우선 과제입니다. 개발자와 부품 제조사는 전력 소비를 줄이면서 더 높은 성능을 제공하는 솔루션을 우선시하고 있습니다.

설계 복잡성도 엄격한 제어 요구사항으로 인해 정교한 전자 회로가 필요해지면서 증가하고 있습니다. 질화 갈륨(GaN)과 탄화 규소(SiC) 같은 와이드 밴드갭 소재가 필수적인 이네이블러로 부상하고 있습니다.

모터와 드라이버

DC 모터는 비용 민감한 애플리케이션에서 주로 사용됩니다. 고정자(보통 영구 자석)와 정류자에 연결된 권선을 가진 회전자로 구성됩니다. 속도 제어는 DC 전압 제어로 달성합니다. 애플리케이션에 따라 풀 브리지, 하프 브리지, 강압 컨버터가 모터를 구동합니다.

AC 모터는 트랜스포머에 의존합니다. 1차 측은 AC 전원에 연결되고 2차 측에서 유도 전류가 생성됩니다. 마이크로프로세서 기반 전자 회로, 인버터, 신호 컨디셔닝이 속도와 토크를 관리합니다.

컨트롤러는 시스템의 '두뇌'입니다. 단순한 구성에서는 단일 컨트롤러로 충분하지만, 복잡한 드라이브에서는 여러 컨트롤러가 모터에 명령을 전달하고 액추에이터 신호를 읽어옵니다.

산업용 로보틱스는 거의 전적으로 3상 AC 모터를 사용합니다. 그림 1은 전용 MCU가 PWM 신호를 생성하는 전자 제어 회로의 블록 다이어그램을 보여줍니다. 더 까다로운 필터링 작업에는 DSP나 FPGA가 선호됩니다.

인기 있는 DC 모터 컨트롤러로는 Trinamic의 TMCM-1637(5A RMS)과 TMCM-1638(7A RMS) 모듈이 있습니다. 이 슬롯 타입 유닛은 필드 지향 컨트롤러, 홀 센서, ABN 인코더를 탑재해 단상 DC, 2상 바이폴라 스테퍼, 3상 브러시리스 DC(BLDC) 모터를 지원합니다. 그림 2는 이들의 레이아웃을 보여줍니다.

IGBT

절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)는 현대 모터 드라이브에 필수적인 고주파 동작을 가능케 하는 전력 스위칭 전자 분야의 혁신입니다. 최신 IGBT는 극한의 자동차 조건에서도 속도와 안정성의 우수한 균형을 제공합니다.

STMicroelectronics의 1,200V IGBT S 시리즈는 저주파 동작(최대 8kHz)에 최적화되었으며 낮은 V_ce(sat)을 특징으로 합니다. 3세대 트렌치 게이트, 필드 스톱 기술로 구축되어 견고한 성능을 제공합니다.

GaN과 SiC

WBG 소재인 GaN과 SiC는 모터 제어 전력 단에서 실리콘을 점차 대체하고 있습니다. 주요 장점은 다음과 같습니다.

• 낮은 전도 및 스위칭 손실
• 더 높은 스위칭 주파수(최대 10배 빠름)
• 더 높은 동작 온도(> 150°C)
• 더 높은 항복 전압
• 가혹한 환경에서 향상된 신뢰성

GaN HEMT는 더 높은 전자 이동도를 보여 더 빠른 상승 시간, 낮은 R_DS(on), 감소된 게이트 커패시턴스를 가집니다. 이러한 특성은 실리콘 대비 최대 10배 높은 스위칭 주파수를 가능케 해 손실과 발열을 줄입니다.

낮은 전력 소모는 냉각 팬 필요성을 줄여 드론 같은 경량 애플리케이션에서 특히 가치 있는 팬리스 설계를 가능케 합니다.

SiC MOSFET은 기존 실리콘 소자 대비 상당한 효율 향상과 더 작은 히트싱크 크기를 제공합니다. 무시할 만한 역회복 손실과 단위 면적당 매우 낮은 R_DS(on)으로 열 예산을 관리하면서 고주파 스위칭 동작이 가능합니다.

산업용 드라이브는 턴온/턴오프 시 높은 dV/dt를 관리해야 합니다. SiC MOSFET은 IGBT보다 몇 배 높은 dV/dt를 생성할 수 있으므로, 모터 절연 손상을 방지하기 위해 보통 5-10V/ns를 목표로 신중한 설계가 필요합니다.

STMicroelectronics의 1.2kV SiC MOSFET과 실리콘 IGBT 비교에서 5V/ns 스트레스 하에 턴온과 턴오프 모두에서 현저히 낮은 에너지 손실을 보였습니다. 그림 3이 결과를 보여줍니다.

SiC 소자는 주어진 모터에 최적의 스위칭 주파수를 선택할 수 있게 해 자동차 및 산업 자동화 분야에서 성능, 크기, 신뢰성 이점을 제공합니다.

Infineon의 CoolSiC MOSFET은 .XT 상호 연결 기술과 1,200V D²PAK-7 SMD 패키지로 전력 밀도 높은 모터 드라이브에서 수동 냉각을 가능케 합니다. 이는 로보틱스와 자동화를 위한 무보수 팬리스 인버터를 지원합니다. 그림 4는 모든 동작 모드에서 전도 손실 감소를 보여줍니다.

마이크로컨트롤러

모터 제어 솔루션은 하드웨어(IGBT, SiC/GaN MOSFET, 파워 다이오드)와 이를 관리하는 정교한 소프트웨어를 결합합니다. 현대 MCU는 실시간 제어, 진단, 예지 보전에 필요한 연산 능력을 제공합니다.

NXP의 MPC57xx 패밀리(Power Architecture)는 자동차 및 산업 파워트레인 애플리케이션을 지원하며 AEC-Q100 품질, 온칩 암호화, ISO 26262/IEC 61508 기능 안전성을 제공합니다. 이더넷(FEC), 듀얼 채널 FlexRay, 다중 직렬 인터페이스를 제공합니다.

Renesas의 RA6T1(Cortex-M4)은 120MHz로 동작하며 두 개의 BLDC 모터를 동시에 제어할 수 있습니다. TensorFlow Lite Micro와 통합돼 센서리스 모터 시스템에 지능형 고장 탐지 기능을 추가해 예지 보전을 가능케 합니다.

모터 요구사항이 다양해짐에 따라 시장은 IGBT, WBG 반도체, MCU의 스펙트럼을 공급합니다. 미래 하드웨어는 프로세서에서 실시간 태스크를 오프로드하면서 진단, AI, 기능 안전 역량을 확장해야 할 것입니다.

> 이 기사는 자매 사이트 Power Electronics News에 처음 게재되었습니다.

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