가변 속도 가전 모터 제어를 위한
전력 모듈을 이용한 설계
모터 제어 알고리즘을 직접적으로 하드웨어로 구현함으로써 소프트웨어 개발 및 통합 문제를 제거할 뿐만 아니라 알고리즘 실행을 가속화함으로써 토크 및 속도 제어를 향상시키는 대안적인 솔루션을 이용할 수 있다.
글│Jonah Chen, Vijay Bolloju, International Rectifier
가정의 에너지 효율을 향상시키기 위해 세탁기, 냉장고, 에어컨 등의 가전기기에 대해 요구가 늘어나고 있다. 기존의 고정 속도 모터를 가변 속도 동작으로 전환함으로써 소비되는 에너지를 최고 30%까지 절약할 수 있으나 최종 사용자들에게 비용을 조금 또는 거의 추가하지 않으면서 가전 업체들이 이와 같은 향상된 효율을 제공해야 한다.
이러한 과제의 디지털 설계 부담을 완화하기 위해 다수의 솔루션이 등장했는데 디자이너들은 또한 전력 스테이지의 설계를 수월하게 하기 위해서 통합적 모듈 및 관련 설계 툴을 필요로 한다.
저비용 가변 속도 모터 컨트롤러를 실현하기 위해서 부품 업체들은 설계를 간소화하고 구현 복잡성을 낮춤으로써 이 시스템의 가장 비싼 부품인 가변 속도 컨트롤러의 비용을 낮추려고 노력했다.
예를 들어서 DSP 및 RISC 프로세서와 PWM 모듈 등의 통합적 모터 제어 주변장치를 결합한 다수의 디지털 신호 컨트롤러(DSC) 플랫폼이 등장했다. 이들 플랫폼은 써드파티 또는 자체개발 모터 제어 알고리즘을 호스팅 할 수 있는 프로그래머블 플랫폼을 제공한다.
이와 함께 모터 제어 알고리즘을 직접적으로 하드웨어로 구현함으로써 소프트웨어 개발 및 통합 문제를 제거할 뿐만 아니라 알고리즘 실행을 가속화함으로써 토크 및 속도 제어를 향상시키는 대안적인 솔루션을 이용할 수 있다. IR(Inter-national Rectifier)의 iMOTION 플랫폼이 그러한 예로서 메뉴 지향적 구성 툴을 제공하므로 이를 통해서 엔지니어가 신속하게 시스템 파라미터를 입력해서 설계를 완성할 수 있다.
어떤 솔루션을 채택하든지 오늘날에는 엔지니어가 숙련된 모션 제어 디자이너가 아니더라도 디지털 제어 문제를 매우 신속하게 해결할 수 있다. 하지만 전력 스테이지를 설계하고 통합하는 것이 또 다른 중요한 문제이다. 적합한 인버터, 게이트 드라이버, 관련 보호 회로를 구성하기 위해서는 상당한 전력 전자 설계 능력이 필요하다.
통합적 전력 모듈
이들 모든 요소를 단일 유닛으로 결합한 IR의 IRAM 시리즈 같은 통합적 전력 모듈(IPM)은 설계를 간소화하며 부품 수를 낮추고 신뢰성을 향상시키는 등의 추가적인 이점을 제공한다. IPM은 모션 제어 애플리케이션을 위해 전력 전자 설계와 관련된 엔지니어링 작업의 상당 부분을 생략할 수 있도록 한다.
예를 들어서 EMI 잡음 및 전력 손실을 낮추도록 게이트 임피던스가 사전에 최적화되었으며 또한 하이사이드 IGBT를 구동하도록 부트스트랩 다이오드 및 저항을 통합했다. 뿐만 아니라 기생 효과로 인한 손실을 최소화하고 열 성능을 극대화하도록 드라이버 레이아웃 문제를 해결했으며 과전류 및 과열 방지 기능을 포함한다. 엔지니어는 단지 원하는 애플리케이션에 적합한 IPM을 선택하기만 하면 된다.
그렇기는 하지만 이 또한 만만치 않은 작업이다. 시스템 내에서 IPM의 성능은 스위칭 주파수, 변조 지수, 모듈 케이스 온도 같은 다수의 애플리케이션 관련 파라미터에 의해 달라진다. 데이터 시트가 일부 지침들을 제공하기는 하지만 보통은 표준적인 동작 조건에 대해서만 언급한다.
적합한 모듈을 선택하고, 스위칭 주파수 등의 선택가능 파라미터를 매칭하고, 최악상황 온도 조건으로 접합부 온도를 제조업체가 지정한 한계 이내로 유지하기 위한 히트싱크 크기를 결정하는 것과 같이 특정 애플리케이션에서 성능을 예측하기 위해서는 디자이너들이 추가적인 지원을 필요로 한다.
적합한 IPM을 선택하기 위해서는 디자이너가 애플리케이션에 관한 정보를 수집해야 한다. 예를 들어서 세탁기 컨트롤러를 최대 3ARMS 위상 전류 및 16KHz 스위칭 주파수와 320V의 DC 버스 전압으로 작동하고자 한다고 하자. 최종 제품에 대해서 향상된 신뢰성을 판매 강점으로 내세우고자 할 때 정격 최대 접합부 온도를 예를 들어 125℃ 등의 모듈 업체의 권장 한계 이내로 설정할 수 있다.
IR의 IRAM IPM 제품군은 6A 및 10A 모듈을 포함해서 다양한 전류 정격으로 이용할 수 있다. 이 두 모듈 모두 이 애플리케이션에 적합하다. 하지만 특정한 동작 조건으로 이들 각각의 모듈이 전력 손실이 다를 것이므로 접합부 온도를 125℃ 아래로 유지하기 위해 필요한 히트싱크도 다를 것이다.
필요한 히트싱크 열 저항(Rth)을 계산하기 위해서는 전도 및 스위칭 손실을 구하고 이들 데이터를 바탕으로 접합부 온도를 예측하기 위해 IPM의 열적 및 전기적 동작에 대한 복잡한 지식을 필요로 한다. 안정 상태 조건을 모델링하는 것은 비교적 간단하지만 실제적으로 전력 손실이 일정하지 않다.
인버터의 변조 주파수에 상응하는 기본 주파수에 따라 전력 손실이 변동되므로 작동 시에 접합부 온도가 안정 상태 평균 이상으로 변동될 수 있다. 또 다른 중요한 문제는 상호 발열이다. IPM 내의 다중의 열 소스가 케이스에서 주위 대기로 동일한 경로를 공유하기 때문이다. IPM 모델이 정밀하기 위해서는 이 효과를 고려해야 한다.
모델링 툴
적합한 모듈을 식별하고 선택하기 위해서는 IPM 전력 모듈의 상세한 모델이 매우 유용하다. 예를 들어 IR의 iSine 소프트웨어 툴(http://www.irf.com/ design-center/ipm)은 현재 출시되어 있는 IRAM 시리즈 모듈의 전기적 및 열적 모델을 포함한다. 이 툴은 온라인으로 공개되어 있으며 엔지니어들이 모듈 선택을 최적화하고 필요한 히트싱크 정격을 결정할 수 있도록 돕는다.
iSine 툴은 선택한 모듈에 대해서 적합한 모델을 이용해서 사용자가 입력한 애플리케이션 조건으로 IPM 동작을 기술하는 일련의 성능 곡선을 생성한다. 사용자는 또한 스위칭 주파수, 전력 계수, 변조 지수 같은 파라미터를 변경해서 원하는 애플리케이션에 대해 맞춤화된 성능 곡선을 얻을 수 있다.
그림 1은 iSine 사용자 인터페이스를 보여주는 것으로서 메뉴 방식으로 애플리케이션 파라미터를 입력하고 부품 번호를 선택할 수 있다. 사용자가 부품을 선택하면 iSine이 손실 및 열 계산을 위한 관련 모델을 이용해서 3개의 분석 툴을 제공하므로 이를 이용해서 사용자가 최적의 IPM을 선택할 수 있다.
*스위칭 주파수 분석은 각기 다른 스위칭 주파수로 최대 모터 전류를 계산한다.
*전력 손실 분석은 최대 3개의 IRAM 시리즈 부품에 대해서 스위칭 주파수 대비 전력 손실 곡선을 보여준다.
*부품 비교는 히트싱크 선택에 대해서 전력 손실 및 케이스 온도 곡선을 제공한다.
앞에서 소개한 설계 예라고 했을 때 iSine을 이용해서 필요한 히트싱크 Rth를 계산할 수 있다. 그림 2는 iSine의 부품 비교 분석 결과로서 이 애플리케이션에 대해 인버터 전력 손실 및 최대 히트싱크 온도를 보여준다.
3ARMS라고 했을 때 전력 손실이 6A 모듈은 31W이고 10A 모듈은 21W이다. 허용 가능한 최대 케이스 온도는 6A 및 10A 모듈이 각기 84℃ 및 99℃이다. 필요한 히트싱크 Rth는 다음과 같이 구할 수 있다.
Rth(S-A) = (TC - TA) / P - Rth(C-S)
아래의 표는 주위 온도가 50℃ 및 Rth(C-S)가 0.1℃/W라고 했을 때 계산된 히트싱크 Rth 값을 보여준다.
이 계산에서는 IPM이 소형일수록 더 대형의 히트싱크가 필요하다는 것을 알 수 있다. 그러므로 최종적인 선택은 IPM 및 히트싱크를 포함해서 전체적인 시스템 비용 및 크기를 최소화하는 것을 기준으로 해야 한다.
이와 같은 방법으로 에어컨 애플리케이션을 위한 IPM을 선택할 수 있다. 이 애플리케이션은 보통 400V DC 버스와 PFC 프론트 엔드를 이용한다. 스위칭 주파수는 EMI 잡음을 낮추기 위해서 세탁기 애플리케이션보다 낮다. 이 애플리케이션이 6kHz 스위칭 주파수로 10ARMS 전류를 필요로 한다고 했을 때 iSine이 16A와 20A IPM 사이의 절충을 보여준다.
또한 이 툴을 이용해서 변조 지수, 스위칭 주파수, 히트싱크 온도, 전력 계수가 전력 모듈의 전류 정격에 미치는 영향을 분석할 수 있다. 이 정보는 엔지니어가 최적의 솔루션을 위해 적합한 시스템 파라미터를 결정할 때 유용하다.
예를 들어서 중요한 설계 파라미터가 스위칭 주파수이다. 이 경우에서는 그림 3 및 그림 4에서 보듯이 iSine을 이용해서 각기 다른 스위칭 주파수로 IPM의 최대 모터 전류 및 전력 손실을 분석할 수 있다. 각각의 분석에서 최대 3개의 부품을 선택해서 스위칭 주파수가 높아짐에 따라서 전력 손실이 증가하고 최대 전류가 낮아진다는 것을 알 수 있다.
<자료제공: 월간 반도체네트워크 2007년 07월호>