IGBT 모듈을 사용하여 모터 설계 및 인버터 설계를 간소화하는 방법

산업 자동화, 로봇 공학, 전기 자동차, 태양 에너지, 백색 가전, 전동 공구 등과 같은 응용 분야에서 모터 및 인버터 사용이 지속적으로 증가하고 있습니다. 이러한 성장에 따라 효율성을 개선하고, 비용을 절감하고, 실장 면적을 줄이고, 전체 설계를 간소화해야 합니다. 이산 소자 절연 게이트 양극 트랜지스터(IGBT)를 사용하여 맞춤형 모터 및 인버터 전력 전자 부품을 특정 요구 사항에 맞게 설계하면 되지만 그럴 경우 장기적으로 많은 비용이 소비되고 설계 일정이 지연될 수 있습니다.

대신 설계자는 여러 전력 장치를 단일 패키지로 결합하는 기성 IGBT 모듈을 사용할 수 있습니다. 기성 모듈을 사용하면 최소한의 조작으로 콤팩트 시스템을 개발하여 조립을 간소화하고 출시 시간과 비용을 줄이면서 전체 성능을 개선해야 하는 설계자에게 유용합니다. IGBT를 적절한 IGBT 구동기와 결합하여 효과적이고 비용 효율적인 모터 구동 장치 및 인버터를 개발할 수 있습니다.

이 기사에서는 전기 모터와 인버터, 관련 구동 회로 및 성능 요구 사항을 설명합니다. 그런 다음 IGBT 모듈을 사용할 때의 이점과 다양한 모듈 패키지 표준을 검토하고 NXP Semiconductors, Infineon Technologies, Texas Instruments, STMicroelectronics, ON Semiconductor 등과 같은 벤더의 IGBT 모듈 및 구동기 IC를 기반으로 하는 모터 구동 및 인버터 설계 옵션(예: 평가 기판 사용)을 소개하고 적용 방법을 알아봅니다.

모터 유형 및 효율성 표준

IEC/EN 60034-30은 모터 효율성을 5개 등급(IE1 ~ IE5)으로 분류합니다. NEMA(National Electrical Manufacturers Association)에서는 ‘표준 효율’부터 ‘울트라 프리미엄 효율’까지 해당 등급 척도를 분류합니다(그림 1). 전기 구동 장치를 사용하려면 더 높은 효율성 표준을 충족해야 합니다. 전자 구동 장치가 탑재된 AC 유도 모터는 IE3 및 IE4 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 고비용 영구 자석 모터 및 전자 구동 장치는 IE5 효율성 레벨을 충족해야 합니다.

그림 1: IEC/EN 60034-30에 따른 모터 효율성 등급(IE1 ~ IE5) 및 해당 NEMA 등급(표준 효율 ~ 울트라 프리미엄 효율) FOC 및 전자 구동 장치가 탑재된 AC 유도 모터는 IE3 및 IE4 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 영구 자석 모터는 IE5 효율성 레벨을 충족해야 합니다. (이미지 출처: ECN)

저비용 마이크로 컨트롤러(MCU)의 개발로 설계자는 자속 기준 제어(FOC)라고도 하는 벡터 제어를 사용할 수 있게 되었습니다. FOC는 3상 AC 모터의 고정자 전류를 벡터로 시각화할 수 있는 두 직교하는 부품으로 식별하는 가변 주파수 드라이브(VFD) 제어 방법입니다. 비례 적분(PI) 컨트롤러를 사용하여 측정된 전류 부품을 원하는 값으로 유지할 수 있습니다. VFD 펄스 폭 변조에서는 PI 전류 컨트롤러의 출력인 고정자 전압 레퍼런스에 따라 트랜지스터 스위칭을 정의합니다.

원래 고성능 시스템용으로 개발된 FOC는 FOC의 모터 크기, 낮은 비용, 낮은 전력 소비로 인해 저비용 응용 분야에서 관심이 높아지고 있습니다. 사용 가능한 저비용 고성능 MCU의 증가로 인해 FOC는 저성능 단일 변수 스칼라 V/f 제어를 점차적으로 대체하고 있습니다.

현재 사용 중인 영구 자석 모터에는 브러시리스 DC(BLDC) 및 영구 자석 동기식 모터(PMSM)라는 두 기본 유형이 있습니다. 두 고급 모터 설계에서는 모두 구동 및 제어를 위한 전력 전자 부품이 필요합니다.

BLDC 모터는 효과적이고 비용 효율적이며 내구성이 뛰어납니다. PMSM 모터는 잡음이 작고 효율이 다소 높은 BLDC 모터의 특징이 있습니다. 두 유형의 모터는 모두 홀 센서에서 일반적으로 사용되지만 무센서 설계에도 사용될 수 있습니다. PMSM 모터는 최고 수준의 성능이 필요한 응용 분야에 사용되고, BLDC 모터는 비용에 민감한 설계에 사용됩니다.

• BLDC 모터
  • 제어하기 쉽고(6단계) DC 전류만 필요
  • 통신 시 토크 리플
  • 최저비용 저성능(PMSM 기준)
• PMSM 모터
  • 통합 샤프트 인코더를 통한 서보 구동에 일반적으로 사용됨
  • 더 복잡한 제어(3상 사인파 PWM 필요)
  • 통신 시 토크 리플 없음
  • 고효율, 높은 토크
  • 고비용 고성능(BLDC 기준)

인버터 개요

인버터의 효율은 출력에서 AC 전력으로 변환되는 DC 입력 전력의 양을 나타냅니다. 고품질 사인파 인버터는 90% ~ 95% 효율을 제공합니다. 저품질 수정 사인파 인버터는 더 간단하고 저렴하며 효율이 일반적으로 75% ~ 85%로 더 낮습니다. 고주파 인버터는 일반적으로 저주파 설계보다 더 효율적입니다. 또한 인버터 효율은 인버터 부하에 따라 달라집니다(그림 2). 모든 인버터는 전력 전자 부품 구동 및 제어가 필요합니다.

광발전 인버터의 경우 세 가지 효율 등급이 있습니다.

• 최대 효율은 최적 전력 출력에서 인버터의 성능을 나타냅니다. 또한 특정 인버터의 최대점을 표시하며 품질 기준으로 사용될 수 있습니다(그림 2).
• 유럽 효율은 인버터가 다양한 전력 출력에서 작동하는 빈도를 고려한 가중 수치입니다. 주간 동안 다양한 출력 레벨에서 인버터의 성능을 나타내므로 최대 효율보다 더 유용한 경우도 있습니다.
• 캘리포니아 에너지 위원회(CEC) 효율은 유럽 효율과 마찬가지로 가중 효율이지만 가중 계수에 대한 가정이 다릅니다.

유럽 효율과 CEC 효율의 주요 차이점은 특정 인버터에 대한 각 전력 레벨의 중요성에 대한 가정이 유럽 효율의 경우 중부 유럽 데이터를 기반으로 하고 CEC 효율의 경우 캘리포니아 데이터를 기반으로 한다는 것입니다.

그림 2: 최대 효율 지점을 보여주는 일반 인버터 효율성 곡선 그래프 (이미지 출처: Penn State University)

IGBT 기본 사항

IGBT의 기본 기능은 최소한의 손실로 전류를 가장 빠르게 전환하는 것입니다. 이름에서 알 수 있듯이 IGBT는 분리된 게이트 구조를 가진 양극 트랜지스터입니다. 게이트 자체는 일반적으로 MOSFET입니다. 따라서 IGBT는 양극 트랜지스터의 높은 전류 용량 및 높은 차단 전압 이점을 MOSFET의 정전 용량 방식 저전력 제어와 결합합니다. 그림 3은 결합된 MOSFET과 양극 트랜지스터가 어떻게 IGBT가 되는지를 보여줍니다.

그림 3: 분리된 게이트로 구성된 MOSFET과 전력 처리 섹션인 양극 트랜지스터 구조를 보여주는 IGBT의 개념적 구조 (이미지 출처: Infineon Technologies)

IGBT의 기본적인 작동은 간단합니다. 게이트(그림 3의 G)에서 방출기(E)로 흐르는 양의 전압 U_GE이 MOSFET을 켭니다. 그러면 수집기(C)에 연결된 전압이 양극 트랜지스터와 MOSFET을 통해 기저 전류를 구동할 수 있어 양극 트랜지스터가 켜지고 부하 전류가 흐를 수 있습니다. 전압 U_GE가 0V 이하이면 MOSFET이 꺼지고 기저 전류가 차단되고, 양극 트랜지스터가 꺼집니다.

개념적으로는 간단하지만, 실제 구동 장치와 회로의 다양하고 미묘한 성능 요구 사항으로 인해 IGBT를 제어하는 하드웨어(게이트 구동기)를 개발하는 작업은 복잡할 수 있습니다. 대부분의 경우 필요하지 않습니다. 반도체 제조업체는 다양한 기능과 용량을 갖춘 적합한 게이트 구동기를 통합 솔루션으로 제공합니다. 적절한 게이트 구동기에 대응하는 정합 IGBT 모듈의 중요성 때문입니다.

IGBT 모듈은 다양한 패키지로 제공됩니다(그림 4). 가장 큰 모듈은 3,300V 이상에 적합하며 재생 에너지 시스템, 무정전 전원 공급 장치, 매우 큰 모터 구동과 같은 메가와트급 설치에 사용하도록 설계되었습니다. 중간 크기 모듈은 일반적으로 전기 자동차, 산업용 모터 구동, 태양열 인버터를 비롯한 다양한 응용 분야에서 600V ~ 1700V 범위에 적합합니다.

그림 4: IGBT 모듈은 다양한 패키지로 제공됩니다. 일반적인 정격 전압 범위는 600V ~ 3,300V입니다. (이미지 출처: Fuji Electric)

가장 작은 장치는 통합 전력 모듈이라고 하고 600V에 적합하며 소형 산업용 시스템 및 소비자 백색 가전의 모터 구동을 위한 기타 부품과 내장형 게이트 구동 장치를 포함할 수 있습니다. IGBT는 다른 유형의 전력 스위칭 부품에 비해 더 높은 전력 레벨과 더 낮은 스위칭 주파수로 작동합니다(그림 5).

그림 5: 일반 전력 스위칭 장치의 출력 범위와 스위칭 주파수 비교(이미지 출처: Infineon Technologies)

제동 인버터를 위한 IGBT 모듈 평가 기판

고전압 제동 인버터 설계자를 위해 NXP Semiconductors는 MC33GD3100A3EK 하프 브리지 게이트 구동기 IC를 사용하는 FRDMGD3100HBIEVM 게이트 구동기 전력 관리 평가 기판을 제공합니다. 이 평가 기판은 Infineon의 FS820R08A6P2BBPSA1 IGBT 모듈과 함께 사용하도록 특별히 설계되었습니다(그림 6). 또한 이 평가 기판은 완전한 솔루션이며 하프 브리지 게이트 구동기 IC, DC 링크 커패시터 및 제어 신호를 제공하는 PC에 연결하기 위한 변환기 기판을 포함합니다. 대상 응용 분야는 다음과 같습니다.

• 전기 자동차 제동 모터 및 고전압 DC/DC 컨버터
• 전기 자동차 기판 실장형 충전기 및 외장형 충전기
• 기타 고전압 AC 모터 제어 응용 분야

그림 6: MC33GD3100A3EK, 하프 브리지 게이트 구동기 IC, DC 링크 커패시터 및 제어 신호를 제공하는 PC에 연결하기 위한 변환기 기판의 위치를 보여주는 Infineon의 FS820R08A6P2BBPSA1 IGBT 모듈에 연결된 NXP의 FRDMGD3100HBIEVM 게이트 구동기 전력 관리 평가 기판 (이미지 출처: NXP Semiconductors)

150mm x 62mm x 17mm IGBT 모듈용 구동기

모터 구동, 태양열 인버터, HEV 및 EV 충전기, 풍력 발전용 터빈, 교통, 무정전 전원 공급 장치 시스템 설계자를 위해 Texas Instruments는 ISO5852SDWEVM-017을 개발했습니다(그림 7). 이 기판은 표준 150mm × 62mm × 17mm 패키지에 하우징되는 일반 하프 브리지 실리콘 카바이드(SiC) MOSFET 및 실리콘 IGBT 모듈에 필요한 구동, 바이어스 전압, 보호 및 진단을 제공하는 콤팩트 이중 채널 분리형 게이트 구동기 기판입니다. 이 TI EVM은 연면거리와 공간거리가 8.0mm인 SOIC-16DW 패키지의 ISO5852SDW 5,700Vrms 강화 분리 구동기 IC를 기반으로 합니다. EVM에는 SN6505B 기반 분리형 DC/DC 변압기 바이어스 공급 장치가 포함되어 있습니다.

그림 7: 150mm × 62mm IGBT 모듈의 상단에 실장되는 Texas Instruments의 ISO5852SDWEVM-017 이중 채널 분리형 게이트 구동기 기판 (이미지 출처: Texas Instruments)

지능형 전력 모듈 평가 기판

STMicroelectronics는 STGIPS20C60 IGBT 지능형 전력 모듈을 지원하는 STEVAL-IHM028V2 2,000W 3상 모터 제어 평가 기판(그림 8)을 제공합니다. 이 평가 기판은 HVAC(에어컨), 백색 가전 및 하이엔드 단상 전력 공구에서 3상 모터(예: 유도 모터 또는 PMSM 모터)를 구동하기 위해 최대 2000W의 파형을 생성하는 DC/AC 인버터입니다. 설계자는 이 EVB를 사용하여 3상 AC 모터로 FOC 설계를 구현할 수 있습니다.

이 EVM의 기본 섹션은 방열판에 실장된 SDIP 25L 패키지의 600V IGBT 지능형 전력 모듈을 기반으로 하는 3상 인버터 브리지로 구성되는 완전히 평가되고 채워진 범용 설계입니다. 이 지능형 전력 모듈은 모든 전력 IGBT 스위치를 고전압 게이트 구동기와 함께 프리휠링 다이오드와 통합합니다. 이 수준의 통합은 PCB 공간과 조립 비용을 절약하고 신뢰성 향상에 기여합니다. 이 기판은 90VAC ~ 285VAC를 공급하여 단상 주 전원과 호환되도록 설계되었으며 125VDC ~ 400VDC와도 호환됩니다.

그림 8: FOC 탑재 STMicroelectronics STEVAL-IHM028V2 제품 평가 기판. 이 기판을 사용하여 HVAC(에어컨), 백색 가전, 하이엔드 단상 전력 공구와 같은 광범위한 응용 제품을 평가할 수 있습니다. (이미지 출처: STMicroelectronics)

다양한 모터 유형을 처리하는 850W 평가 기판

ON Semiconductor는 SECO-1KW-MCTRL-GEVB 평가 기판을 제공합니다. 이 평가 기판을 사용하면 설계자가 Arduino Due 헤더를 통해 연결 가능한 마이크로 컨트롤러로 구현되는 FOC를 비롯하여 다양한 제어 알고리즘에 따라 다양한 유형의 모터(AC 유도 모터, PMSM, BLDC)를 제어할 수 있습니다(그림 9). 이 기판은 MCU를 통해 Arduino DUE(호환 헤더) 또는 유사한 컨트롤러 기판에서 사용하도록 설계되었습니다. 통합 전력 모듈 및 역률 보정을 통해 응용 제품을 설계하는 첫 번째 단계 중에 설계자를 지원하기 위해 이 기판을 도입했습니다. 이 기판은 산업용 펌프 및 팬, 산업 자동화 시스템 및 소비자 가전 설계자가 사용하기 위한 것입니다.

그림 9: ON Semiconductor SECO−1KW−MCTRL−GEVB 평가 기판 제품 구성도(이미지 출처: ON Semiconductor)

이 평가 기판은 고전압 구동기, 6개의 IGBT 및 서미스터로 구성되는 통합 인버터 전력 스테이지인 NFAQ1060L36T(그림 10)를 기반으로 하며 PMSM, BLDC 및 AC 유도 모터를 구동하는 데 적합합니다. IGBT는 선택한 제어 알고리즘에서 유연성을 극대화하기 위해 하부 레그에 별도의 방출기를 연결한 3상 브리지로 구성됩니다. 전력 스테이지에서는 교차 전도 보호, 외부 차단, 부족 전압 차단을 비롯한 전체 보호 기능을 제공합니다. 설계자는 과전류 보호 회로에 연결된 내부 비교기 및 레퍼런스를 사용하여 보호 수준을 설정할 수 있습니다.

그림 10: ON Semiconductor의 NFAQ1060L36T 전력 통합 모듈 기능별 제품 구성도(이미지 출처: ON Semiconductor)

NFAQ1060L36T 전력 통합 모듈의 기능 요약:

• 통합 구동기를 탑재한 3상 10A/600V IGBT 모듈
• 콤팩트 29.6mm x 18.2mm 이중 인라인 패키지
• 내장된 부족 전압 보호
• 교차 전도 보호
• 모든 IGBT를 차단하는 ITRIP 입력
• 통합 부트스트랩 다이오드 및 저항기
• 기판 온도 측정용 서미스터
• 차단 핀
• UL1557 인증

결론

이산 소자 IGBT를 사용하여 맞춤형 모터 및 인버터 전력 전자 부품을 특정 요구 사항에 맞게 설계하려면 장기적으로 많은 비용이 소비되고 설계 일정이 지연될 수 있습니다. 대신 설계자는 여러 전력 장치를 단일 패키지로 결합하는 기성 IGBT 모듈을 사용할 수 있습니다. 그런 모듈은 최소한의 조작으로 콤팩트 시스템을 개발하여 조립을 간소화하고, 출시 시간과 비용을 줄이면서, 전체 성능을 개선해야 하는 설계자에게 유용합니다.

위에서 살펴본 바와 같이 설계자는 적절한 IGBT 구동기를 탑재한 IGBT 모듈을 사용하여 성능 및 효율성 표준을 충족하는 비용 효율적인 콤팩트 구동 및 인버터를 개발할 수 있습니다.

권장 참고 자료

1. 구동 IC를 통합 마이크로 컨트롤러와 함께 사용하여 신속하게 모터 제어기 설계 구현
2. 안정적인 산업용 모터 제어기 보호 기능이 내장된 고전류 IGBT 구동기 사용