까다로운 환경에서 BLDC 모터 드라이브의 열 성능을 최적화하는 방법

전기 자동차(EV)와 같은 자동차 환경과 로봇 공학 및 제조 장비와 같은 산업 응용 분야의 까다로운 열 조건에서 브러시리스 직류(BLDC) 모터의 사용이 점점 증가하고 있습니다. 설계자에게 효과적인 열 관리는 BLDC 모터 드라이브의 안정적인 작동을 보장하기 위한 핵심 고려 사항입니다. 이를 위해 스위칭 주파수, 효율성, 작동 온도 범위 및 폼 팩터와 관련하여 파워 MOSFET 및 게이트 구동기 IC에 특히 주의를 기울여야 하며, AEC-Q101, PPAP(생산 부품 승인 프로세스) 및 IATF(국제 자동차 산업 협의회) 표준 16949:2016(해당되는 경우) 등의 자격을 총족하는지 확인해야 합니다.

또한 게이트 구동기는 마이크로 컨트롤러(MCU)와의 인터페이스를 간소화할 수 있도록 표준 트랜지스터-트랜지스터-로직(TTL) 및 CMOS 전압 레벨과 호환되어야 합니다. 또한 다양한 고장 조건으로부터 MOSFET을 보호할 수 있어야 하며, 효율적인 고주파 작동을 지원하기 위해 전파 지연이 잘 맞아야 합니다.

이러한 요구 사항을 충족하기 위해 설계자는 이중 N 채널 인핸스먼트 모드 MOSFET을 고주파 게이트 구동기 IC와 결합하여 콤팩트하고 효율적인 솔루션을 생산할 수 있습니다.

이 기사에서는 BLDC 모터 드라이브 설계 시 열 관리 고려 사항에 대한 개요로 시작한 다음 AEC-Q101, PPAP 및 IATF 16949:2016의 요구 사항을 간략하게 요약합니다. 그런 다음 자동차 및 산업용 BLDC 모터 구동 시스템에 적합한 고성능 이중 N 채널 인핸스먼트 모드 MOSFET 및 그에 맞는 게이트 구동기 IC(Diodes, Inc)의 예를 소개합니다. 마지막으로, 전자파 장해(EMI) 최소화 및 열 성능 최적화를 비롯하여 BLDC 구동 회로를 위한 PC 기판 레이아웃 고려 사항에 대해 논의하며 마무리합니다.

BLDC 및 정류

BLDC와 브러시드 모터의 주요 차이점은 BLDC에서는 정류를 달성하기 위해 MCU 제어가 필요하다는 점입니다. 이를 위해서는 회전자의 회전 위치를 감지할 수 있는 기능이 필요합니다. 위치 감지는 전류 감지 저항기 또는 홀 효과 센서를 사용하여 수행할 수 있습니다. 일반적으로, 홀 효과 센서를 모터 내부에 120° 간격으로 배치하는 것이 위치 감지를 구현하는 정확하고 효율적인 방법입니다.

이 방법에는 6개의 전력 MOSFET으로 구성된 브리지 구성을 사용하여 3상 BLDC 모터를 구동하는 것이 포함됩니다 홀 효과 센서는 MCU가 모터의 위치를 파악하는 데 사용하는 디지털 신호를 생성한 다음 모터 작동을 제어하기 위해 필요한 순서와 원하는 속도로 MOSFET을 전환하는 구동 신호를 생성합니다(그림 1). 원활한 제어가 가능하다는 점이 BLDC 모터 사용의 주요 이점입니다.

그림 1: 3상 BLDC 모터에서 3개의 홀 효과 센서는 6개의 전력 MOSFET의 스위칭을 제어하는 데 필요한 위치 정보를 제공합니다. (이미지 출처: Diodes, Inc.)

전파 지연 처리

MCU에서 생성된 제어 신호는 너무 약해서 전력 MOSFET을 직접 구동할 수 없기 때문에 게이트 구동기 IC를 사용하여 MCU 신호를 증폭합니다. 그러나 게이트 구동기 IC를 도입하면 제어 신호의 전파 지연이 어느 정도 발생합니다. 또한 하프브리지 게이트 구동기의 두 채널은 응답 시간이 약간 다르기 때문에 전파 지연 스큐가 발생합니다. 최악의 시나리오에서는 로우 사이드 스위치가 완전히 꺼지기 전에 하이 사이드 스위치가 켜져 두 스위치가 동시에 전도될 수 있습니다. 이 경우 단락이 발생하여 모터 드라이브 또는 모터가 손상되거나 파손될 수 있습니다.

전파 지연 문제를 처리하는 방법에는 몇 가지가 있습니다. 하나는 전파 지연을 보상할 수 있을 만큼 빠르게 반응할 수 있는 고속 MCU를 사용하는 것입니다. 이 접근 방식의 두 가지 잠재적 문제점은 더 비싼 MCU가 필요하다는 점과 두 스위치가 동시에 켜지지 않도록 하기 위해 스위칭 프로세스에 데드 타임 밴드를 도입한다는 점입니다. 이 데드 타임은 전체 스위칭 프로세스를 지연시킵니다.

대부분의 애플리케이션에서 선호되는 대안은 전파 지연이 짧은 게이트 구동기를 사용하는 것입니다. 고성능 게이트 구동기 IC에는 시스템 안정성을 더욱 향상시키기 위한 교차 전도 방지 로직도 포함되어 있습니다(그림 2).

그림 2: 고성능 게이트 구동기 IC는 전파 지연을 최소화할 뿐만 아니라 교차 전도 방지 로직(왼쪽 중앙)도 포함합니다. (이미지 출처: Diodes, Inc.)

냉각 상태 유지하기

전력 MOSFET의 안전하고 정밀한 구동은 BLDC 모터의 안정적인 작동에 매우 중요하며, 전력 MOSFET을 냉각 상태로 유지하는 것도 중요합니다. 전력 반도체의 열 관리와 관련된 두 가지 중요한 사양은 접합부-케이스 열 저항(R_θJC)과 접합부-주변 열 저항(R_θJA)입니다. 두 수치 모두 와트당 섭씨 온도(°C/W)로 표시됩니다. R_θJC는 디바이스 및 패키지에 따라 다릅니다. 다이 크기, 다이 부착 재료 및 패키지 열 특성과 같은 요인에 따라 달라지는 고정된 양입니다.

R_θJA는 보다 광범위한 개념으로 R_θJC와 납땜 접합부 및 방열판 온도 계수를 포함합니다. 전력 MOSFET의 경우, R_θJA가 R_θJC의 10배가 될 수 있습니다. MOSFET 패키지(케이스) 온도(T_C)를 제어하는 것이 핵심 고려 사항입니다(그림 3). 즉, 전력 MOSFET용 열 관리 솔루션을 개발할 때는 보드 레이아웃 및 방열과 같은 요소가 매우 중요합니다. MOSFET에서 발생하는 거의 모든 열은 PC 보드의 구리 패드/방열판을 통해 방출됩니다.

그림 3: 열 방출의 주요 지표인R_θJA는 R_θJC의 10배가 될 수 있습니다. (이미지 출처: Diodes, Inc.)

자동차 표준

자동차 애플리케이션에 사용할 장치는 AEC-Q100, AEC-Q101, PPAP, IATF 16949:2016을 비롯한 산업 표준도 하나 이상 충족해야 합니다 AEC-Q100 및 AEC-Q101은 자동차 애플리케이션에 사용되는 반도체 장치와 관련된 신뢰성 표준입니다. PAPP는 문서화 및 추적 표준이며, IATF 16949:2016은 ISO 9001 기반 품질 표준입니다. 좀 더 구체적으로 설명하면 다음과 같습니다.

AEC-Q100은 패키지 IC에 대한 고장 메커니즘 기반 스트레스 테스트이며 4가지 주변 작동 온도 범위 또는 등급을 포함합니다.

• 0등급: -40°C ~ +150°C
• 1등급: -40°C ~ +125°C
• 2등급: -40°C ~ +105°C
• 3등급: -40°C ~ +85°C

AEC-Q101은 전력 MOSFET과 같은 개별 장치에 대한 최소 스트레스 테스트 중심 요구 사항 및 조건을 정의하고 -40°C ~ +125°C에서 작동하도록 지정합니다.

PPAP는 신규 또는 수정된 부품에 대한 18단계 승인 프로세스로, 부품이 지정된 요구 사항을 일관되게 충족하도록 설계되었습니다. PPAP에는 5단계의 표준 제출 수준이 있으며, 요구 사항은 제조업체와 고객 간에 협의됩니다.

IATF 16949:2016은 ISO 9001과 자동차 부문의 고객별 요구 사항을 기반으로 하는 자동차 품질 시스템으로, 제3 자 심사원의 인증이 필요한 표준입니다.

이중 전력 MOSFET

효율적인 BLDC 모터 드라이브를 구현하고자 하는 설계자는 산업용 애플리케이션에는 Diodes Inc의 DMTH6010LPD-13과 같은 이중 N 채널 인핸스먼트 모드 FET, 그리고 자동차 애플리케이션에는 AEC-Q101 인증 DMTH6010LPDQ-13을 사용할 수 있습니다. 두 부품 모두 PPAP의 지원이 가능하며 IATF 16949 인증 시설에서 제조됩니다. 이들 MOSFET은 빠른 스위칭 속도를 지원하는 2615피코패러드(pF)의 낮은 입력 정전 용량(C_iss)과 높은 변환 효율을 위한 11밀리옴(mΩ)의 낮은 온스테이트 저항(R_DS(on))을 갖추고 있어 고주파, 고효율 애플리케이션에 적합합니다. 10V 게이트 드라이브가 있고, +175°C에서 작동하도록 정격화되었으며, 높은 열 방출을 위한 대형 드레인 패드가 있는 5mm x 6mm PowerDI5060-8 패키지로 제공됩니다(그림 4). 열 사양은 다음과 같습니다.

• 2온스(oz) 구리를 사용하고 1인치(인치) 정사각형 구리판으로 구성된 하단 레이어에 써멀 비아가 있는 FR-4 PC 기판에 장치를 장착한 상태에서 53°C/W의 정상 상태 R_θJA 제공
• 4°C/W의 R_θJC
• 정격 최대 +175°C

그림 4: DMTH6010LPD-13 및 DMTH6010LPDQ-13은 PowerDI5060-8 패키지의 대형 드레인 패드를 사용하여 높은 열 방출을 지원합니다. (이미지 출처: Diodes, Inc.)

이중 MOSFET 게이트 구동기

설계자는 이중 전력 MOSFET을 구동하기 위해 두 가지 하프브리지 게이트 구동기(산업용 애플리케이션을 위한 DGD05473FN-7 또는 자동차 시스템을 위한 AEC-Q100 DGD05473FNQ-7) 중 하나를 사용할 수 있습니다. 이들 장치도 PPAP의 지원이 가능하며 IATF 16949 인증 시설에서 제조됩니다. 입력은 TTL 및 CMOS 레벨(최저 3.3V)과 호환되어 MCU와의 연결을 간소화하며, 플로팅 하이사이드 구동기의 정격 전압은 50V입니다. 보호 기능에는 UVLO 및 교차 전도 방지 로직이 포함됩니다(그림 2 다시 참조). 통합 부트스트랩 다이오드는 PC 기판 공간을 최소화하는 데 도움이 됩니다. 기타 특징은 다음과 같습니다.

• 20나노초(ns) 전파 지연
• 5ns(최대) 지연 정합
• 1.5암페어(A) 소스 및 2.5A 싱크 최대 구동 전류
• 1마이크로암페어(µA) 미만의 대기 전류
• 40°C ~ +125°C의 AEC-Q100 1등급 작동 온도 범위

열 및 EMI 고려 사항

위에서 설명한 MOSFET 및 구동기 IC를 사용하는 보드 레이아웃 모범 사례는 가능한 최상의 열 방출을 보장하기 위해 콤팩트한 설계와 MOSFET의 실제 구리 면적을 최대로 확보해야 합니다. 컴팩트한 설계는 루프 영역을 최소화하고, 배선 길이가 짧으면 EMI를 최소화하고 전자파 적합성(EMC) 문제를 줄일 수 있습니다.

EMC 및 열 성능을 더욱 개선하려면 견고한 내부 접지면과 하단의 추가 전원 플레인을 PC 보드에 포함해야 합니다. 또한 신호 라인에는 별도의 내부 레이어를 사용해야 합니다.

MOSFET 패키지는 열 성능에 큰 영향을 미칩니다. PowerDI5060-8, 3mm x 3mm PowerDI3333-8, 2mm x 2mm DFN2020-6의 세 가지 옵션을 살펴보면 드레인 패드가 가장 큰 PowerDI5060이 2.12와트에 이르는 가장 높은 전력 손실을 지원하는 것으로 나타났습니다(그림 5).

PowerDI5060(파란색 선)은 다른 두 개의 작은 패키지에 비해 더 많은 전력을 소비합니다. (이미지 출처: Diodes, Inc.)

결론

열 효율이 높은 패키지의 이중 전력 MOSFET을 일치하는 게이트 구동 IC와 결합하여 자동차 및 산업 응용 분야를 위한 고성능 소형 BLDC 모터 구동기를 제작할 수 있습니다. 이러한 솔루션은 각각 신뢰성, 문서화 및 품질에 대한 AEC, PPAP 및 IATF 표준을 충족할 수 있습니다. PC 기판 레이아웃 모범 사례를 활용하면 설계자가 이러한 장치를 이용하여 BLDC 모터 드라이브 구현을 위한 최상의 열 및 EMC 성능을 달성할 수 있습니다.

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