자동차 애플리케이션 용 전기 모터 보호용 집적 구동 솔루션 - Technology

집적 하프 브리지는 자동차 전기 모터 구동 애플리케이션용으로 적합한 간단한 공간 절약형 솔루션을 제공한다. 집적 하프 브리지는 추가 보호 기능외에도 릴레이 솔루션 및 개별 반도체 솔루션보다 더욱 나은 PWM 성능 및 전류 감지 기능을 제공한다.

자동차 애플리케이션 용 전기 모터 보호용 집적 구동 솔루션

글│Rainald Sander, Jonas Gronvall

, Mario Noziczka

, Infineon Technologies

최신 모터 구동 솔루션

최근 자동차 부문에서 효율적인 전기 모터 컨트롤에 대한 필요성이 꾸준히 증가하고 있다. 이러한 추세는 보다 나은 편리성 및 더 높은 안전성은 물론 연료 소비량 감소 요구에 기인한다. 전기 모터 구동 용으로는 다양한 종류의 모터 솔루션이 있다. 애플리케이션에 따라 각기 다른 모터 컨셉이 사용된다.

자동차 애플리케이션에 사용되는 일반적인 전기 모터로는 BDC(DC brush) 모터, 브러쉬리스 DC(BLDC) 모터, 스텝터 모터 및 영구 자석 동기 모터 등이 있다.

가장 일반적인 모터로는 비교적 저렴한 가격에 사용이 용이한 DC 브러쉬 모터가 있다. DC 브러쉬 모터를 구동하는데는 여러 가지 방법이 있다. 가장 간단한 방법은 물론 기계 스위치를 이용하는 것이지만 최신 자동차 모터는 전자 제어 방식을 요구한다. 간단한 방법으로는 그림 1의 릴레이(relay)를 통한 모터 제어 방식이다.

그림 1. 양방향 모터 제어(H-브리지 구성)용 릴레이 솔루션은 PWM 성능을 제공하지 않는다.

릴레이 솔루션의 가장 큰 장점은 가격이지만 성능 면에 있어서 애플리케이션 요구조건에 따라 좌우되는 약점을 지니고 있다. 특히, PWM 성능 누락 및 보호 기능 부재이다. 이와 더불어 신뢰성 및 수명 측면에서도 반도체는 여전히 릴레이보다 한발 앞서고 있다.

애플리케이션이 모터 속도 조절을 필요로 한다면 일반적으로 모터 입력 전압이 제어되어야 한다. 에너지 효율의 필요성에 따라 PWM 사용이 점점 증대하고 있다. PWM사용은 MOSFET와 MOS-FET 게이트 드라이버 같은 반도체 솔루션을 필요로 한다. 보통 N 채널 MOSFET이 그림 2와 같이 하이 및 로우 사이드 스위치로 사용된다.

그림 2. 양방향 모터 제어(H-브리지 구성)용 개별 반도체 솔루션은 PWM 성능을 제공하나 PCB 공간을 상당 부분 차지한다.

다음 논리적 단계는 파워(MOSFET)와 제어 기능을 하나의 패키지에 모두 집적하는 것이다(그림 3). PCB 공간을 줄이고 PWM를 구현하는 이 집적 솔루션은 또한 보다 쉬운 사용을 위해 논리 회로 입력과 함께 구성될 수 있다.

그림 3. 양방향 모터 제어(H-브리지 구성)용 집적 하프-브리지 반도체 솔루션은 PWM 성능을 제공하며 PCB 공간을 상당 부분 절약한다.

집적 하프 브리지의 이점들

집적 솔루션은 릴레이 솔루션보다 다양한 보호 기능과 진단 성능을 제공하며 PWM 특성을 이용해 새로운 부하 전류 제어 방법을 제공해 준다. 제시된 집적 켄셉은 기본적으로 하프 브리지 솔루션 기반으로 한다. 상보형 P/N MOSFET 칩 배열 방식을 사용함으로써 표준 일반 비분할(non-split) 리드 프레임이 사용될 수 있다.

게다가 이 컨셉은 N채널 하이사이드 솔루션에 필수적인 집적 충전 펌프 또는 부트스트랩 기술을 필요로 하지 않으므로 외장 부트스트랩 커패시터용 충전 펌프와 리드 프레임 핀을 절약할 수 있다. 이러한 상보형 P/N 채널 컨셉은 충전 펌프 사용에 비해 EMC 성능도 향상시킨다.

집적 컨셉은 또한 하이 및 로우 사이드 스위치에서 부하 전류를 모니터 할 수 있다. 전류 제어는 과 부하 제어를 위한 보호 성능으로 사용되며 추가로 외장 부품 없이도 부하 전류를 모니터 할 수 있다. 연산 증폭기와 션트(shunt) 성능이 통합된 것이다.

이 집적 솔루션은 전류 센스 출력 신호가 제공되고, 마이크로컨트롤러에 적절한 입력 신호를 위해 외부 저항값을 변경하여 스케일러블한 전압을 만들어 준다. 이 솔루션은 애플리케이션에서 특정하게 정의된 부하 조건을 바로 인식할 수 있다는 이점을 지닌다.

집적된 구조로 인해 파워 스위치의 직접 온도 제어가 내장된다. 특정 온도 한계치(threshold)에서 파워 스위치는 꺼지고, 고장 신호가 발생된다. 과열로 인한 스위치 차단 및 전류 제한은 단전 보호 기능을 지원한다.

하나로 합쳐진 P/N 구조의 보호 기능들은 모든 듀티 사이클에도 완벽한 PWM 제어를 제공한다. 스위칭 유도 방사 필터링 작용에 맞춰 스위칭 파워 분산를 최적화하기 위해 슬루율(slew rate) 또한 조절할 수 있다. 높은 PWM 주파수의 중요한 도전은 하이 및 로우 사이드 스위치를 통한 역류로 인한 추가 파워 손실을 최소화하는 것이다. 이러한 기능은 스위칭 슬루율에 적응할 수 있는 집적된 데드타임 생성으로 실행된다.

마이크로컨트롤러와 인터페이스를 위해 논리 회로 입력이 제공된다. 파워 오프 모드에서 집적 회로의 대기 전류를 마이크로 암페어 값 수준으로 줄이기 위해 슬립 모더스(sleep modus)가 제공된다.

애플리케이션의 예

최신의 자동차 모델에서는 안정성 향상을 위한 추세가 두드러지고 있다. 안전 벨트 수축 시스템은 좌석 벨트를 단단히 함으로써 충돌 시 인체에 가해지는 충격을 최소화한다. 지금까지는 기폭 수축 시스템이 시장을 주도해왔지만 최근에는 안정성 향상을 위해 전기 수축 시스템의 사용이 증가하고 있는 추세이다.

이들은 기폭 소자와 함께 작동되는 동안 슬랙 제거 성능은 물론 더 나아가 신체에 대한 충격을 최소화하기 위해 충돌 방지 상황에서 안전 벨트를 단단히 하는 성능까지 제공한다. 이러한 시스템은 중력 영향이 최소화되는 커브 운전시 안전 벨트를 약간 조여 줌으로써 편안함을 제공할 수 있다.

이런 애플리케이션에서의 도전은 짧은 시간 안에 상대적으로 높은 전류의 전기 모터를 제어하는 것이다. 이 애플리케이션에서 집적 하프 브리지가 제공하는 이점은 높은 전류 피크 기능, 보드 공간 축소 및 전류 감지 기능이다. 고 전류 하프-브리지 IC 제품인 NovalithIC BTN7970B는 13.5V 전원 하에서 이러한 애플리케이션이 필요로 하는 높은 피크전류를 발생 할 수 있도록 최대 70A 전류 한계치를 두고 있다.

개별 MOSFET 및 게이트 드라이버를 사용하는 것에 비교해 PCB 공간을 50%까지 절약할 수 있다. 과/저전압, 과온, 전류 제한 및 단전 보호와 같은 보호 기능들은 시스템을 또한 최적화하는데 도움이 되며 또한, 시스템 제어 컨셉을 단순화 한다. 이 시스템은 2개 집적 하프-브리지, 마이크로컨트롤러, 전압 레귤레이터 및 통신을 통해 실현 가능하다(그림 4).

그림 4. 집적 하프-브리지를 내장한 안전 벨트 장력을 당겨주는 시스템의 소형화

최근의 자동차에는 50종의 전기 모터가 내장되어 있으며 차내의 전기 모터 사용은 더욱 증가하는 추세이다. 위의 예 외에도 전기 모터는 기어박스, 윈도우 리프트, 좌석 포지셔닝, HVAC 팬, 연료 펌프, 오일 펌프 및 워터 펌프와 같은 애플리케이션에서도 사용된다. 이러한 애플리케이션의 기술적 요건은 더 낮은 Rdson, 더 높은 전류 용량 및 더 빠른 스위칭의 PWM 성능으로 맞춰지고 있다(그림 5). 향후 자동차 시장에서는 모터 구동 솔루션의 효율성 강화 추세에 따라 더욱 집적화된 제품이 등장하게 될 것이다.

그림 5. 향후 하프-브리지 제품의 추세는 더 낮은 Rdson, 더 높은 전류 성능 및 더 빠른 스위칭의 PWM 성능으로 가고 있다.