Automotive
이러한 부하에 전기 모터를 채택하면 벨트와 휠을 제거할 수 있으며 이러한 장치들을 선택적으로 엔진 컴파트먼트의 여러 다른 위치에 구현할 수 있으므로 기계적 디자인을 크게 간소화할 수 있다. IR의 AUIR3330S는 어떤 유형의 모터나 풀 스피드 범위 성능을 구동할 수 있는 솔루션을 제공하며 동적 di/dt 제어 기능을 제공하므로 EMI와 스위칭 손실 성능을 최적화할 수 있다.
글: 데이빗 잭퀴노드(David Jacquinod) / 프로덕트 마케팅 매니저, 오토모티브 프로덕트 비즈니스 유닛
IR(www.irf.com)
전기 모터의 사용 증가
자동차에 전기 모터가 쓰이지 않았던 시대는 지금으로부터 아주 오랜 시간을 거슬러 올라가야 한다. 당시에는 시동을 거는 것이 수동이었고 엔진 냉각 팬과 와이퍼가 엔진과 기계적으로 결합되었다. 그러다가 전기 모터가 빠르게 내연 엔진과 결합해서 사용하게 되었고 초기에 이와 같이 사용이 빠르게 늘어나게 된 것은 편의성 때문이었다.
이러한 모터는 저전력(<100W)이고, 통상적으로 부하를 구동하기 위해서 간단한 릴레이를 필요로 하며, 효율과 성능 측면에서 최상의 선택이다. 모터가 ABS(anti - lock braking system)나 트랙션 컨트롤(traction control) 같은 안전성 시스템에 채택되기 시작하면서는 더욱 더 신뢰할 수 있는 구동 시스템을 요구하게 되었다.
그런데 최근에 자동차 업계는 연료 소비를 줄이는 문제를 갈수록 더 중요시하고 있다. 친환경적인 교통수단을 개발하도록 하는 압력 때문에 엔지니어들은 자동차 내에서 가능한 곳이면 어느 위치에서나 지능적이며 최적화된 솔루션을 적용해야 하는 과제에 직면해 있다.
전기 모터는 스마트 장치들을 이용해서 구동함으로써 성능을 현저히 향상시킬 수 있다. 전자식 솔루션은 특히 고전력 모터(>100W)에 유용하다. 첨단 자동차는 엔진 냉각과 블로어에 전동 제어를 이용하는데 전기 모터의 적용 분야는 매우 다양하다.
아직도 자동차의 많은 기능들이 내연 엔진에 결합된 기계식 시스템을 이용한다. 워터 펌프와 오일 펌프가 전자 장치를 이용함으로써 효율 측면에서 크게 향상을 달성할 수 있는 대표적인 예일 것이다. 전자 제어를 이용함으로써 특정한 시점에 필요로 하는 정확한 전력을 공급함으로써 전력을 모터로 효과적으로 공급할 수 있다.
가변 속도 제어·자동차 산업의 중요한 도약 계기
자동차의 엔진 냉각과 블로어에 가변 속도 모터 제어를 적용하기 시작한 것은 최근의 혁신 기술이다. 구형 자동차는 엔진 냉각과 블로어에 저항과 릴레이를 이용한 속도 제어 시스템을 이용한다. 이러한 시스템에서는 모터의 속도가 몇몇 불연속적인 값으로 제한된다.
어떤 속도 값을 위해서는 모터와 직렬로 저항을 이용해야 한다. 이러한 솔루션은 모터의 속도를 필요로 하는 전력에 따라서 최적화할 수 없으므로 성능이 매우 떨어진다. 그럼으로써 대부분의 경우에 정격 효율이 50%에 미치지 못하게 된다.
최근에 전력 소자 기술이 발전함에 따라서 가변 속도 전자식 모터 제어를 많은 애플리케이션에 적용할 수 있게 되었다. 가변 속도 제어를 이용함으로써 전체적인 부하 범위에 걸쳐서 90% 이상의 정격 시스템 효율을 달성할 수 있다.
통상적인 400W 엔진 냉각 팬을 예로 들자면 전자식 컨트롤러는 통상적인 부하 사이클에 걸쳐서 저항 팬 컨트롤러보다 100W 더 적은 전력을 소비한다. 이와 같이 절약되는 100W의 전력은 0.11/100km를 갈 수 있는 연료에 해당된다.
모터를 PWM 방식으로 구동할 때의 과제는 EMI 규정을 충족하는 것이다. 20kHz로 작동할 때 시스템이 배터리 측으로 잡음을 발생시킨다. 턴온 및 턴오프 위상 시의 di/dt가 EMI를 일으키는 중대한 요인이다. EMI 규정을 충족하기 위해서는 배터리와 인버터 스테이지 사이에 수동 필터를 연결해야 한다. 이 필터는 통상적으로 2개의 대형 캐패시터와 인덕터로 이루어진다.
이 필터의 비용이 전체 시스템에서 중요한 비용 요인이 된다. MOSFET을 이용하는 단순한 시스템에서 di/dt를 낮출 수 있는 유일한 방법은 게이트로 저항을 삽입해서 스위칭 속도를 늦추는 것이다. 그런데 이렇게 하면 스위칭 손실이 크게 증가함으로써 시스템 효율을 떨어트리고 더 큰 크기의 히트 싱크를 필요로 하게 된다. 이와 같은 시스템에서는 EMI 필터와 히트 싱크의 크기 사이에 절충을 필요로 한다.
IR의 AUIR3330S는 출력에서 고유의 di/dt 제어를 이용해서 배터리 보드 네트의 전도 방사를 감소시킨다. 이와 같은 동적인 di/dt 제어로 EMI와 스위칭 손실 성능을 최적화할 수 있도록 함으로써 EMI 필터 크기와 히트 싱크 크기를 절충해야 하는 방식에서 탈피할 수 있다.
이 특수한 기능은 MOSFET으로 특정한 게이트 쉐이핑을 필요로 하는데 이것은 이산 소자로 구현할 수 없다. MOSFET과 드라이버를 이용한 통상적인 애플리케이션에서는 게이트 저항을 이용해서 구동 전류를 제어함으로써 스위칭 시간을 제어할 수 있다. 또한 AUIR3330S는 어떤 유형의 모터이든 풀 스피드 범위로 구동할 수 있는 솔루션을 제공한다. 높은 수준의 통합으로 디자이너가 컴팩트한 솔루션을 구현할 수 있다. 그러므로 소수의 외부 부품만을 이용해서 풀 스피드 범위 디자인을 빠르게 구현할 수 있다.
동적 di/dt
턴온 시에는 드라이버가 고전류를 인가함으로써 되도록 빠르게 MOSFET의 임계값에 이르도록 한다. MOSFET으로 전류가 흐르기 시작하면 게이트 전류가 낮아져서 di/dt를 제한한다. 드레인-대-소스 전압이 낮아지기 시작하면 게이트 전류가 상승해서 스위칭 손실을 제한한다. 저항으로 구동되는 MOSFET과 비교해서 di/dt 위상 시에는 스위칭 손실이 동일한데 dv/dt 시에는 크게 낮아진다.
그러므로 동일한 EMI 수준으로 AUIR3330S를 이용하면 전력 소비가 훨씬 낮아지므로 훨씬 더 소형의 히트 싱크를 이용할 수 있다. 동적 di/dt 제어를 위해서는 각기 다른 스위칭 위상으로 각기 다른 게이트 전류를 인가할 수 있는 복합적인 드라이버를 필요로 한다. AUIR3330S는 또한 di/dt와 dv/dt 위상을 검출할 수 있도록 지능적인 회로를 포함한다.
첨단 모터 구동 애플리케이션은 또한 보호 기능과 진단 기능 등의 추가적인 기능을 필요로 한다. AUIR3330S는 과열 조건, 출력 단락 회로, 접지나 부트스트랩 캐패시터 소실 같은 비정상적인 작동 모드일 때 시스템 결함을 방지할 수 있는 기능들을 포함한다. 위와 같은 결함 조건이 발생했을 때 AUIR3330S가 스스로를 보호하고 마이크로프로세서로 진단 내용을 보고한다. 이러한 진단 기능은 디지털 값으로 이루어지며 이 값을 마이크로프로세서가 직접 읽을 수 있다.
또한 AUIR3330S는 전류 피드백 기능을 포함함으로써 Rifb 저항의 전압을 측정해서 부하 전류를 검출할 수 있다. 그러므로 시스템이 부하 전류를 모니터링하고 부하로 공급되는 전력을 제어할 수 있다. 또한 정지 모터 조건을 검출할 수 있다.
이 전류 검출 피드백을 이용해서 과전류 보호 임계값을 설정할 수 있다. Rifb 저항의 전압이 4.5V를 넘으면 출력이 자동으로 차단된다. 이 기능은 정지 조건 시에 배선이나 모터의 결함을 방지할 수 있으며 각각의 시스템 필요에 따라서 조절할 수 있다.
그림 1. 밸러스트 저항을 이용한 모터 구동
그림 2. AUIR3330S를 이용한 애플리케이션 예
그림 3. 차동증폭은 표류자계에 대한 면역 제공
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