인버터 모터 드라이브를 위한 전원 모듈 설계 고려사항

[테크월드뉴스=이재민 기자] 전기 모터는 에어컨에 사용되는 팬, 물을 공급하는 펌프, 제조장비를 구동하는 모터 등 다양한 부하를 구동하는데 사용된다. 이러한 모터는 전통적으로 전력시스템으로부터 직접 전원 공급을 받았다. 또한 전력 동작 주파수가 고정돼 모터는 토크를 제어하지 않고 일정한 속도로 작동됐다. 최근에는 모터의 속도와 토크를 제어하는 주파수 인버터를 사용한다.

주파수 인버터의 장점
주파수 인버터를 사용하는 첫 번째 장점은 주어진 여자 전류(excitation current)를 이용해 최대 토크로 동작할 수 있어 시스템효율이 향상된다는 것이다. 두 번째 장점은 모터 속도 가변을 통해 추가적인 에너지 절약이 가능하다는 점이다. 전통적인 방식에서 모터는 완전히 꺼지거나, 켜지거나 둘 중 하나였다(가속 페달을 완전히 밟거나 혹은 떼는 경우를 가정해보라). 모터의 속도가 가변되면 에너지를 절약하고, 보다 부드럽게 모터를 켜고 끌 수 있게 된다.

IPM(Intelligent Power Modules)은 속도 가변 구동을 가능하게 하는 기술로, 단일 모듈에 인버터와 내장 드라이버를 포함한다. 이는 단상 AC 입력 애플리케이션을 위한 모듈로, 이런 모듈에 사용되는 트랜스퍼 몰딩 제조법은 우수한 전력 사이클과 온도 사이클 견고성을 제공한다. 모듈에는 PFC(Power Factor Correction) 회로가 포함될 수 있지만, 일반적으로 AC 입력 정류 회로는 포함하지 않는다. IPM의 주요 장점은 드라이버가 통합됐고, 별도의 핀이 드라이버를 위해 추가됐다는 점이다.

3상 AC 입력 애플리케이션을 위한 IPM의 크기는 매우 크다. 이는 아킹(arcing) 또는 트래킹(tracking)이 발생하지 않게 사용되는 부품의 동작회로 간 최소 간격을 결정하는 크리피지(creepage)와 클리어런스(clearance) 요구사항을 만족시키기 위한 것이다. IPM에는 드라이버를 위한 핀이 추가로 할당돼 있다. 최소 간격 요구사항을 만족시키기 위해 드라이버 없는 모듈보다 커질 수 밖에 없게 된다. 각각의 애플리케이션에 대해 크리피지와 클리어런스를 주의 깊게 계산해야 한다. 이는 드라이브의 최대 작동 각도, 시스템의 유효전압, 시스템에 사용되는 격리(isolation), 모듈과 인쇄 회로기판의 오염 정도, 비교트랙킹지수(CTI)과 같은 요인에 기반한다.

[그림 1]은 내장 게이트 드라이브가 없는 3상 AC 입력 모듈의 회로다. 대부분의 3상 AC 입력 모터 드라이브에 대한 일반적 계산을 기준으로 필요 간격을 살펴볼 것이다. 

NTC 터미널과 다른 터미널 사이의 간격은 5.5mm 이상이어야 한다. 이 거리는 각 핀의 바깥쪽 가장자리간 간격을 포함한다. 그러나 핀은 납땜되거나 패드에 압착돼 있다. 그러므로 여기서 간격은 패드의 외부 끝에서 다른 패드의 외부 끝까지 거리이다. 홀 크기에 대한 넓은 오차와 환형 패드(annular pad)의 넓은 폭은 제조에 대한 편이성을 향상시키지만, 크리피지와 클리어런스 간격을 줄이는 데 비용이 든다.

R, S, T, DBMINUS, DBPLUS 핀과 다른 핀들 사이에 5mm의 클리어런스 간격이 필요하다. U, V, W 사이에 요구되는 간격은 애플리케이션에 따라 크게 달라진다. 최소 2.5 ~ 3mm가 일반적이다.

모든 클리어런스 간격, 핀 홀 오차, 환형 링 크기를 추가하면 모듈이 최소 70mm 크기로 상당히 커지게 된다. IPM의 하이사이드 제어에 필요한 추가 신호가 필요하게 되면 모듈의 크기는 더 커져 저전력 3상 입력 애플리케이션에 적용하기에는 너무 크고 비싸진다.

저전력 산업용 3상 AC 입력 애플리케이션의 경우 IPM 모듈과 젤 모듈이 모두 광범위하게 사용된다. IPM 모듈에는 정류기가 포함돼 있지 않고, 젤 모듈에는 드라이버가 포함되어 있지 않다. 젤 모듈은 다양한 구조의 핀을 갖는 반면 IPM은 일반적으로 듀얼 인라인 패키지(DIP package)로 구성된다. 젤 모듈은 온도 사이클에 대한 성능이 낮지만 새로운 제조방식을 적용해 전력 사이클 성능을 크게 개선했다. 다만 젤 모듈의 핀이 PCB 라우팅을 방해하는 경향이 있어 DIP 패키지 IPM 보다 PCB 레이아웃에 제한을 받게 된다.

로봇 납땜 장비가 널리 보급됨에 따라 젤 모듈과 IPM모듈에 납땜용 핀을 사용하는 것이 새로운 설계 추세가 됐다. 기존에 사용하던 압착 고정핀은 부식 환경에 취약하지만, 납땜용 핀은 부식 환경에 취약하지 않다.

작은 크기에도 우수한 성능 갖춘 TMPIM
[그림 2]는 온세미컨덕터의 새로운 TMPIM 모듈(트랜스퍼 몰딩형 PIM)의 단면도를 보여준다. 제조 공정의 첫 부분은 젤 모듈과 같다. 칩 다이와 서미스터가 DBC 위에 납땜된 다음 와이어본딩으로 연결된다. IPM 모듈에서는 DBC와 일부 구성요소가 와이어 본딩 전에 리드 프레임에 먼저 납땜된다. 따라서 작업을 위해 추가 공정도구가 필요하다. 이에 비해 TMPIM은 핀아웃이 변하지 않는 한 DBC 구조와 칩 다이 배치를 유연하게 구성할 수 있다.

다음 단계는 리드프레임을 DBC에 납땜하는 것이다. 마지막 단계는 모듈이 에폭시로 캡슐화되는 트랜스퍼 몰딩 과정이다. 리드는 잘려진 다음 트림 혹은 포밍 단계라고 하는 과정에서 구부러지는 모양이 만들어진다.

다이가 리드프레임 위에 납땜되는 모듈에 비해 이런 방식의 장점은 모듈의 구성이나 다이 교체를 쉽게 할 수 있다는 것이다. 핀아웃을 변경하기 위해서는 새로운 리드 프레임이 필요하고 트림과 포밍을 위한 새로운 공정도구가 필요하다. 이 도구는 수십만 달러가 필요하다. 일반 식스팩, 인터리브드 PFC를 포함한 식스팩, CIB(converter inverter brake) 모듈[그림 1]등은 표준 핀아웃 모듈에 사용된다.

젤 모듈은 사용자의 요구를 반영하기 위해 유연하게 변경할 수 있으나, 트랜스퍼 몰딩 모듈과 동일한 수준의 온도 사이클링 성능을 갖고 있지 않다. 젤 모듈은 동일한 DBC 납땜과 와이어 본딩 방식을 갖고 있다. 그러나, 트랜스퍼 몰딩 모듈이 젤 모듈보다 전력 사이클 성능이 더 우수하다.

[그림 2]는 기존 모듈 대비 TMPIM의 분명한 장점을 보여준다. 전체 모듈 두께는 8mm다. 핀 상단과 히트싱크 상단 사이의 간격은 6mm로 필요한 클리언스 요구사항 5.5mm보다 크다. 젤 모듈도 이런 요구사항을 충족하지만 젤 모듈이 TMPIM보다 더 두껍게 된다(젤 모듈 12mm vs TMPIM 8mm). IPM 모듈은 더 얇다. 결과적으로 기계 설계자는 통상 추가 제조 비용이 필요한 히트싱크를 설계할 필요가 있다.

[표 1]은 0.5mm 패드 링 폭, 0.3mm 드릴 오차와 핀 크기를 허용한 솔더 패드 가장자리 사이의 간격을 보여준다. 간격 요구사항은 TMPIM 제품을 설계하는 동안 광범위하게 고려됐다.

TMPIM에 사용되는 IGBT는 900V 버스 전압, 15V 게이트 드라이브, 150C에서 10µs 이상의 쇼트 서킷 규격을 갖는 강력한 필드 스톱 II 1200V 제품이다. 출시 전에 해당 모듈은 벤치 테스트를 포함해 모터 드라이브 테스트 환경에서 광범위하게 테스트됐다. 온세미컨덕터의 NCP57000 절연 게이트 드라이브는 TMPIM 구동에 이상적인 제품이다. 각 TMPIM에는 6개의 절연 게이트 드라이버 제품이 사용된다. NCP57000에는 과부하 전류를 감지한 다음 IGBT를 소프트 셧다운 시킴으로써 너무 빠른 턴오프에 의해 과도한 전압 스파이크가 발생하지 않도록 하는 DESAT 기능을 제공한다.

TMPIM 제품군은 1000회 이상의 온도 사이클도 도달할 수 있다. 히트싱크가 없는 표준 젤 모듈은 일반적으로 200회의 온도 사이클에만 도달할 수 있다. 모듈의 전력 사이클 곡선은 접합 온도 변화에 따라 탁월한 전력 사이클 성능을 보여준다. TMPIM의 고출력 모듈에는 고성능 산화 알루미늄 기판이 사용된다. 열 저항 계수가 낮기 때문에 온도 변화가 줄어들고, 전력 사이클 성능이 더 좋아지게 된다.

온세미컨덕터의 현재 TMPIM 제품군에는 25A, 35A, 고성능 기판을 사용한 35A, 고성능 기판을 사용한 50A용 1200V CIB 모듈이 포함된다. 해당 시리즈의 새로운 제품들은 650V CIB모듈, 650V 식스팩, 1200V 식스팩, 인터리브 PFC와 식스팩을 포함한 650V 모듈이다.

결론은 TMPIM 제품군에 적용된 방식은 트랜스퍼 몰딩 모듈을 더 높은 파워에서 사용할 수 있도록 확장했다. 또한, 산업 모터용 인버터 설계자에게 작은 크기에 신뢰할 만한 솔루션을 쉽게 사용할 수 있도록 한다.

글 : 조나단 하퍼(Jonathan Harper) 전력 모듈 부문 선임 제품 매니저
자료제공 : 온세미컨덕터(www.onsemi.com)