로보틱스에서 GaN을 활용한 모터 시스템 효율과 전력 밀도 향상

GaN 기반 모터 드라이브 설계와 시험 평가

[테크월드뉴스=박응서 기자] 로보틱스는 통합과 시스템 최적화가 중요하다. 대표적인 로봇 응용기술인 애플리케이션에는 서비스 로봇과 협동 로봇, 산업용 로봇, 자율형 드론, 자동 운반 차량 등이 있다.

성공적인 로봇 제품을 만들려면 모터와 모터 드라이브 설계가 중요하다. 기존의 실리콘(Si) 기반으로 설계할 때는 항상 크기와 효율 중 하나를 중시하면 다른 하나는 손해를 봐야 하는 절충안을 선택해야 한다. 더 높은 스위칭 주파수를 사용하면 필터나 DC 링크 커패시터 같은 부품 크기를 작게 할 수 있다. 하지만 이렇게 하면 스위칭 손실이 늘어난다.

그런데 GaN(질화갈륨) HEMT(high electron mobility transistors, 고전자 이동 트랜지스터)가 등장하면서 효율과 크기를 절충하지 않고도 최적으로 만드는 새로운 설계를 할 수 있게 됐다.

GaN 기반 모터 드라이브의 아키텍처와 설계

[그림1]은 인피니언이 개발한 100V GaN 기반 모터 드라이브 회로도다. 이 모터 드라이브는 주요 빌딩 블록을 최적화한 하프 브리지 회로다. 3밀리미터(mm) x 5mm PQFN 리드프레임 패키지 상단면에 칩을 노출시켜서 양면을 냉각할 수 있는 2개의 100V 3mΩ CoolGaN™ HEMT를 갖추고 있다. 이 하프브리지는 전원 루프 인덕턴스를 최소화하도록 설계했다. 총 루프 인덕턴스 400pH는 CoolGaN™ HEMT 100V가 피크 드레인 전압 정격을 넘지 않으면서 약 1나노초(ns) 시간에 온오프 스위칭을 할 수 있도록 한다. 또 직교하는 전류 흐름과 최소한의 공통 소스 인덕턴스로 게이트와 드레인 전류 상호 결합을 최소화하며 개선했다.

권장하는 게이트 드라이버는 CoolGaN™용 1EDN71x6G EiceDrIVEr™로 GaN 게이트 구동에 중요한 몇가지 기능을 통합했다. [그림1] 디자인에 선택된 1EDN7126G는 1.5A 피크 소스·싱크 전류를 제공한다.

CoolGaN™을 위한 1EDN71x6G EiceDrIVEr™ 제품군의 첫 번째 특징은 ‘완전 차동 입력(TDI)’을 들 수 있다. 이 기능이 스위칭할 때 위쪽(high-side)에 공통 모드 전압 제거와 아래쪽(low-side)에 접지 바운스 내성을 제공함으로써 빠른 스위칭 트랜션트에서도 안정적인 동작을 보장한다. 둘째 이 드라이버 제품은 4가지 구동 강도를 제공해 외부 게이트 저항을 필요로 하지 않고 턴온과 턴오프 속도를 조절할 수 있다.

마지막으로 1EDN7126G 게이트 드라이버는 출력 스테이지에 능동 밀러 클램프 기능을 제공한다. 이 기능을 사용해서 게이트 전압이 0.4V 아래로 떨어졌을 때 3ns 이내에 풀다운 강도를 5A로 끌어올린다. 드라이버가 이 상태로 있다가 0.3Ω의 매우 강한 풀다운 저항을 사용해서 게이트 전압을 0V로 유지한다.

이런 식으로 유도 턴온을 일으키지 않도록 하면서 GaN HEMT의 턴오프 속도를 조절할 수 있다. 3개 하프 브리지 각각에는 개별적인 온도 검출과 동위상(in-phase) 전류 감지가 포함된다. 총 DC 링크 커패시턴스는 보드 양면에 걸쳐서 로우프로파일 100V 세라믹 커패시터를 사용해서 80마이크로패럿(mF) 이상이다. 높은 스위칭 주파수가 이들 커패시터로 리플 전류 부담을 낮추므로 부피가 큰 전해 커패시터가 필요하지 않다.

이 시스템에 포함된 48V → 5V DC·DC 컨버터가 아래쪽 게이트 드라이버에 레귤레이트된 전원 전압을 제공한다. 위쪽 게이트 드라이버는 1EDN71x6G EiceDrIVEr™의 능동 부트스트랩 클램핑 기능을 사용해서 부트스트랩을 통해서 전원을 공급한다.

이 디자인에는 하프 브리지의 고주파수 전원 루프 인덕턴스를 최적화하고 게이트 루프의 공통 소스 인덕턴스를 최소화하기 위해서 하측 션트 전류 검출이 아니라 동위상 전류 검출을 선택했다. XENSIV™ TlI4971 홀 센서가 차동 증폭기와 관련해서 혹시 있을 수 있는 CMTI(공통 모드 트랜션트 내성) 문제를 방지하도록 한다. 절연이 잘 된 동위상 전류 센서는 전압 트랜션트에 대한 내성을 높이고, 모터 FOC를 위해서 정확한 리딩을 제공한다.

제어를 위해서는 XMC4400 드라이브 카드에 100kHz 최대 스위칭 주파수와 20kHz의 제어 루프 업데이트 레이트로 센서리스 FOC 펌웨어를 사용한다. 제어 주파수를 100kHz인 스위칭 주파수와 일치하도록 높이면 더더욱 높은 제어 대역폭이 가능하다. 이것은 극히 빠른 동적 제어 응답을 필요로 하는 애플리케이션에 유용하다. 센서식 FOC가 적합한 애플리케이션에는 0.01도 분해능을 특징으로 하는 인피니언의 XENSIV™ TlE5012 자기 각도 센서를 사용해서 정밀하게 위치를 측정할 수 있다.

모터 케이블이 스위칭 전이에 미치는 영향

[그림2]는 이 GaN 기반 모터 드라이브 프로토타입의 상단면, 측면, 하단면 모습을 보여준다. 상단면 실크스크린에 표시된 직경 64mm 원 안에 전체적인 모터 드라이브 시스템에 필요한 모든 부품을 집어넣었다. 이 영역 안에 트랜지스터와 드라이버, 전류와 온도 센서, 5V와 3.3V 레귤레이터, 선택적으로 방열판을 탑재하기 위한 탑재 구멍, 모든 커패시터들을 포함한다. 직사각형 폼팩터는 56mm x 40mm로 더 작으며, 총 두께는 3.7mm다. 이에 따라 총 체적은 8.3㎤가 된다.

목표로 하는 전력 취급 용량이 1kW이므로 이 모터 드라이브 전력 밀도는 120W/㎤이다. 실험실 평가를 위해 스탠드오프, 고전류 스크류 단자, 외부적 제어 보드로 연결하기 위한 인터페이스 커넥터를 포함시켜서 PCB 크기가 약간 늘어났다. 이 시험 평가에는 외부 제어 보드를 사용했으나, [그림2]를 보면 총 PCB 면적을 늘리지 않으면서 PCB 하단면으로 컨트롤러 회로를 추가할 수 있음을 알 수 있다.

DC 링크, 전류 센서, 보조 전원을 비롯한 전체 모터 드라이브를 56mm x 40mm의 직사각형 면적으로 구현했다.

보통 모터 드라이브에서 스위칭 속도를 5V/ns와 같이 제한한다. 모터 dV/dt의 두 가지 제한 요인으로서 권선 절연 항복과 베어링 성능 저하를 들 수 있다. 48V 모터에서는 절연 정격이 꽤 높기 때문에 권선 절연은 큰 문제가 되지 않는다. 하지만 베어링 성능 저하는 일부 48V 모터에 문제가 될 수 있다. 이 문제의 심각성은 모터 크기와 속도, 스위칭 주파수, dV/dt, 온도 같은 여러 요인에 따라서 다를 수 있다. 드라이브를 모터로 연결하는 케이블도 모터의 dV/dt에 중요하게 영향을 미칠 수 있다.

이 시스템으로 각기 다른 슬루 레이트로 PCB 스위치 노드에서부터 모터까지 이르는 여러 지점에서 위상-대-위상 전압 VAB를 측정했다. dV/dt는 시스템 효율과 열 한계와 관련해서 중요하다. 하드 턴온 전이가 길수록 스위칭 손실이 높아지기 때문이다. CoolGaN™ 100V를 사용해서 1ns에 이르는 빠른 턴온 전이가 가능해 스위칭 손실을 최소화한다.

[그림3]은 16A로 하드 턴온과 하드 턴오프 시의 전압 트랜션트를 보여준다. 하드 턴온 전이를 위상 A와 위상 B에 걸쳐서 측정했을 때 약 50V/ns의 높은 전이 속도를 나타낸다. 그런데 40센티미터(cm) 모터 케이블 끝에서 같은 측정을 했을 때 전이 속도는 훨씬 낮다. 꼬여 있는 케이블을 사용하면 dV/dt가 8V/ns로 낮아진다. 고전적인 병렬 케이블을 사용하면 5V/ns로 더 낮다. 만약에 케이블 인덕턴스가 스위치 노드의 높은 dV/dt로부터 모터를 적절히 디커플링하지 못한다면 소형 에어 코일을 사용해서 추가적인 필터 소자를 사용하지 않고서 이러한 디커플링 효과를 일으킬 수 있다.

높은 스위칭 주파수 사용으로 시스템 효율 향상

CoolGaN™ 디바이스의 빠른 스위칭 속도는 전력 반도체 디자이너가 더 높은 스위칭 주파수를 선택할 수 있도록 한다. 이것은 인버터 효율뿐만 아니라 전체 시스템 효율과 총 크기 면에서도 유익하다.

스위칭 주파수가 시스템 효율에 미치는 영향을 알아보기 위해서 농업용 드론 모터를 CoolGaN™ 기반 모터 드라이브를 사용해서 20kHz, 60kHz, 100kHz 스위칭 주파수로 제어해 보았다. 각각 멀티미터와 다이나모미터를 사용해서 인버터로 전기적 DC 입력 전력과 모터의 기계적 출력을 측정했다. [그림4]는 20kHz와 100kHz의 비교를 위해 100W와 500W에서 동작한 위상 전류파형을 보여준다. 스위칭 주파수가 높은 경우가 전류 리플이 크게 줄어들고 rMS 전류가 더 낮다는 것을 알 수 있다. 그러므로 권선 발열이 더 적고 더 높은 모터 효율을 달성한다. 100W 동작으로는 rMS 전류가 5.6A에서 4.5A로 20퍼센트 감소하고, 500W 동작으로는 26.2A에서 23.1A로 12퍼센트 감소한다.

RMS 위상 전류가 상대적으로 감소하는 것을 감안했을 때 높은 스위칭 주파수의 이점은 경부하로 더 두드러지는데, 높은 주파수는 부하 범위 전반에 걸쳐서 권선 온도에서도 확실히 더 유리하다. [그림5]와 같이 500W 출력으로 권선 온도가 20kHz 스위칭 주파수일 때 섭씨 110도에서 100kHz 스위칭 주파수일 때 대략 섭씨 80도로 섭씨 30도 가까이 떨어진다. 이 점은 코봇과 같이 열적으로 제약적인 애플리케이션에 매우 유익하다.

모터에 정류된 출력 전류에 교류 전류가 적으면 권선과 코어 손실을 낮추고 모터 온도를 낮출 수 있다. 한편 스위칭 주파수에 따라서 스위칭 손실이 선형적으로 증가하고 전력 손실과 온도를 높인다. 이런 이유로 시스템에 따라 규소(Si) 전계효과트랜지스터(MOSFET)나 절연게이트 양극성트랜지스터(IGBT)로는 더 높은 스위칭 주파수를 사용하기가 여의치 않을수 있다.

[그림6]에서는 더 높은 스위칭 주파수를 사용해서 시스템 효율, 즉 기계적 출력 전력을 전기적 입력 전력으로 나눈 값이 향상된다는 사실을 확인할 수 있다. 지금까지 48V 애플리케이션용으로 센서리스 자속기준제어(FOC)를 사용한 GaN 기반 모터 드라이브에 대해서 설명했다. 이 디자인은 CoolGaN™ HEMT(100V, 3mΩ), CoolGaN™ 용으로 최적화된 EiceDrIVEr™ 게이트 드라이버(1EDN7126G), 동위상 XENSIV™ 전류 센서(TlI4971)를 사용해 개발했으며, 외부 제어를 위해서 XMC4400 드라이브 카드를 사용했다

이 설계에 대한 시험 결과를 보면 GaN이 시스템 효율이나 열 한계 측면에서 어떠한 불리함을 초래하지 않으면서 더 높은 스위칭 주파수를 보이는 것을 확인할 수 있다. 더 높은 스위칭 주파수는 모터 온도를 낮추고 전반적인 시스템 효율을 높이면서 필요한 커패시턴스, 즉 전압을 가했을 때 축적되는 전하량을 줄임으로써 전력 밀도를 높인다. 시스템 크기를 줄임으로써 모터 드라이브를 로봇 팔 안에 있는 모터 새시에 내장해 긴 모터 케이블로 인해서 비롯되는 EMI 문제를 없앨 수 있다.

시스템의 여러 지점에서 규정된 단위 시간에 출력전압이 변하는 정도인 전압 슬루레이트를 측정해보면, 모터 케이블의 근본적인 lC 필터 효과로 인해서 모터 권선으로 인가되는 전압 슬루 레이트와는 별개로 GaN HEMT의 스위칭 속도를 최적화할 수 있음을 알 수 있다.

글 : 마틴 와텐버그(Martin Wattenberg)
자료제공 : 인피니언 테크놀로지스

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