[기고] 효율과 성능 향상을 위해 산업용 모터의 설계 변화 필요

[테크월드뉴스=서유덕 기자] 산업용 애플리케이션에 사용되는 모터가 전 세계 전력 소비의 약 30%를 차지한다. 그러므로 모터의 효율을 약간만 향상시키더라도 전 세계 에너지 소비량이든 설비 가동 비용이든 그 절감에 상당한 기여를 할 수 있다. 그런데 가속 시 더 높은 전류를 제공하려고 과잉 정격 모터를 사용하려는 경향 때문에 더 효율적인 디자인을 사용하는 것이 제한됐다.

과잉 정격 모터는 과전류 동작을 할 수 있는 여유를 제공하나, 비용을 증가시킨다. 대신에 작동 수명을 늘리고 유지보수 비용을 줄일 수 있도록 한다. 하지만 전기 요금이 오르고, 스마트 팩토리 기술의 발전으로 모터 상태에 대해 실시간 정보를 사용할 수 있게 됨으로써, 이런 단순한 접근법은 더 이상 유효하지 않게 됐다. 이제 모터를 좀 더 정밀하게 제어할 수 있는 설계가 필요하다.

이 글에서는 1킬로볼트(㎸) AC 이하 정격의 저전압 산업용 모터에 대해 설명한다. 이들 모터가 전체 모터 매출의 약 91%를 차지한다. 이 중에서 60%는 범용 드라이브고, 나머지 31%는 로봇, 자재 취급 장비, 공작 기계 같은 모션 집중적 애플리케이션에 사용되는 서보(Servo) 드라이브다[그림 1].

통상적인 가변속 드라이브 토폴로지는 AC-DC 정류기, 초퍼 회로, 인버터를 포함하며, 펄스 폭 변조(PWM)를 사용해 모터를 구동한다[그림 2]. 수 킬로와트(㎾)에서 수백 ㎾에 이르는 다양한 애플리케이션 대부분이 그렇다. 그러면 최근 주요 IGBT 디바이스, 로봇, 자동화 애플리케이션에 다수 채택되고 있는 고속 쿨시크(CoolSiC) MOSFET(금속 산화물 반도체 전계효과 트랜지스터) 스위치를 사용한 모듈 디자인 설계 방법을 살펴보자.

IGBT의 주요 파라미터

최근에 출시된 인피니언의 IGBT7 기술은 모터 드라이브 애플리케이션에 적합하며, 마이크로 패턴 트렌치 구조를 적용해 이전 세대 디바이스 대비 전도 손실을 20%까지 낮춘다. 이들 디바이스는 게이트 저항을 사용해 전압 변화율(dv/dt)을 제어할 수 있다. 그러므로 dv/dt를 5㎸/㎲로 제한함으로써 모터 베어링과 절연 권선에 미치는 영향을 최소화할 수 있다. 또한 짝을 이루는 환류다이오드(Free Wheeling Diode)의 순방향 전압 강하가 이전 세대 다이오드보다 100㎷ 낮다.

산업용 드라이브로 유용한 또 다른 중요한 특징은, 허용 가능한 최대 접합부 온도(T_vjop)가 175℃라는 것이다. 이것은 IGBT4에 비해서 25℃ 향상된 것이다. T_vjop=150℃ 이상의 온도로 동작하는 것은 시간의 영향을 받는다. 다시 말해 T_vjop=175℃는 부하 사이클 시간(T)의 20%(t₁) 이내, 예를 들어 매 T=300s당 t₁=60s 이내의 최대 지속시간으로 허용된다. 이것은 더 높은 전력 밀도를 가능하게 한다. 즉 동일한 전력으로 패키지 크기를 축소하거나, 또 다르게는 동일한 패키지로 취급 가능한 전력 용량을 높일 수 있도록 한다. 뿐만 아니라, 과잉 정격에 의존할 필요 없이 과부하 조건으로 동작 가능하게 한다. 대략적인 원칙으로서, 펌프나 팬에 사용되는 것과 같이 가벼운 일반 부하 모터는 최대 60s의 가속 시간으로 정격 전류의 110%로 동작할 수 있어야 하며, 컨베이어 벨트나 여타 자동화 애플리케이션에 사용되는 것 같은 중부하 모터는 최대 150%의 과부하에 견딜 수 있어야 한다.

이 IGBT 세대의 또 다른 중요한 파라미터는 내 단락 시간(t_sc)으로, 150℃ T_vjop에서 8㎲다. 이것은 IGBT4에 비해 20% 낮은 것이지만, 스위칭 손실은 비슷하면서도 전도 손실을 낮춤으로써 전반적인 전력 손실을 줄인다. 또한 이 디바이스는 제로 전압 턴오프로 설계됨으로써 단극성(Unipolar) 게이트 드라이버 전원만을 필요로 하므로 설계가 더 단순하다.

모터 드라이브 애플리케이션에 적합한 IGBT는 서보 드라이브에도 용이하다. 그런데 갈수록 더 많은 애플리케이션에서 서보 드라이브에 높은 정밀도, 빠른 가속, 낮은 관성이 요구되고 있다. 예를 들어 컨베이어 시스템은 분산 구조로 다수의 낮은 토크 서보 모터에 IGBT 기반 드라이브를 사용하고 이것들을 케이블을 통해 중앙의 제어 시스템으로 연결한다. 더 나아가서 로봇이나 여타의 고정밀 자동화 애플리케이션들은 모터 케이블을 줄이거나 아예 제거하고 드라이브 인버터를 곧바로 서보 모터로 통합하고 있다. 이것은 원하는 성능 달성 또는 인버터 크기 절감에 있어 큰 진전을 이루게 한다. 이 같은 목표를 달성하기 위해서 CoolSiC MOSFET 스위치 사용을 생각해볼 수 있다.

와이드 밴드갭 디바이스로 전환

높은 수준의 가속을 사용하면 산업용 로봇으로 팔을 빠르게 움직이는 것이 가능하다. 이런 동작을 구현할 때는 10초의 사이클로 수 초 동안 200%의 과부하를 사용하는 정도에서 4초의 사이클로 1/4초 동안 300%의 과부하를 사용하는 수준까지 이르게 된다. 그러므로 전력 디바이스가 높은 열 부하로부터 회복할 수 있는 시간이 많지 않다. CoolSiC MOSFET은 더 높은 온도를 견디고 스위칭 손실을 낮추기 때문에, 더 높은 주파수로 스위칭할 수 있다[그림 3].

CoolSiC MOSFET은 인버터를 모터 안으로 통합하고 EMI와 관련한 어려움이나 모터 권선으로 스트레스를 일으키는 원인이 되는 모터 케이블을 제거할 수 있도록 할 뿐만 아니라, 설계 엔지니어가 스위칭 주파수를 높일 수 있도록 한다. 이를 통해 필요로 하는 자기 소자의 크기를 줄이고, 더 작은 디자인을 가능하게 한다. 4㎑에서 8㎑로 전환하면 드라이브의 동작 온도를 40%까지 낮추거나 같은 동작 온도에서 전력을 65%까지 높일 수 있다[그림 4]. 또 동적으로 변화되는 부하에 대해 서보 응답 시간을 더 빠르게 앞당길 수도 있다. 이 점은 특히 로봇 애플리케이션의 성능을 개선하는 데 중요하게 작용한다.

CoolSiC MOSFET을 채택한 통합적인 서보 모터·드라이브의 이점을 확인하기 위해 산업용 평가 디자인을 사용, 이를 검증했다[그림 5]. 이 디자인을 느린(150㎳) 사이클과 빠른(50㎳) 사이클로, 11A(느린 사이클)와 28A(빠른 사이클)의 피크 전류로 가속을 정지했다가 시작했다가 하며(+1500 RPM과 -1500 RPM 사이) 작동시켰다. 그 결과 실리콘 IGBT와 비교해 비슷한 dv/dt로 스위칭 손실이 50%까지 낮아지는 것으로 나타났다. IGBT를 사용해서는 이와 같은 수준의 통합과 기능성을 달성하기 어렵다.

글: 마이클 에블리(Michael Ebli) 박사
자료제공: 인피니언테크놀로지스(www.infineon.com)