다중 위상 바이어스 솔루션용 GMR10Dx 모듈로 산업용 모터 제어기의 전력 컨트롤러 최적화

이 기사에서는 안정적이고 안전한 다중 위상 전력 컨트롤러 개발과 관련된 설계 과제와 주요 고려 사항을 살펴봅니다. 여기에서는 Ganmar Technologies의 고집적 이중 와이드 밴드갭 스위치 게이트 구동 전력 모듈과 함께, 플로팅 출력을 지원하는 GMR10Dx 절연 DC-DC 컨버터 모듈을 활용합니다. 이러한 모듈의 설계와 구성은 신뢰성, 안전, EMI 및 열 관리의 시스템 요구 사항을 충족하도록 최적화되어 있습니다.

역률 보정(PFC) 스테이지에 전력을 공급하는 3상 AC 입력에 이어 산업용 모터와 같은 펄스 폭 변조(PWM) 제어형 고부하를 선보이는 시스템 예시가 제공됩니다. 이 설계는 특히 Infineon(이전 GaN Systems)의 고전압 GaN 스위치를 구동하는 데 중점을 두며, 실용적인 회로 솔루션을 제공합니다. 이 기사에서는 또한 하프 브리지(HB) 토템폴 스위치를 구동하는 기존 방법의 한계를 살펴보고, 상부 스위치와 하부 스위치를 모두 제어할 수 있는 대체 솔루션을 알아봅니다. 공간 요구 사항을 최소화하면서 안정적이고 안전한 작동을 보장할 수 있는 실용적인 회로 설계가 제공되며 설계 공정을 더욱 간소화하는 저손실 고대역폭 전류 감지에 대해 설명합니다.

오늘날 설계 환경은 콤팩트한 하드웨어, 효율적인 냉각을 위한 전력 소비 감소, 최적화된 열 관리를 통한 신뢰성 향상, 비용 효율적인 솔루션 등 수많은 과제를 안고 있습니다. 빠듯한 예산과 짧은 개발 일정으로 이러한 문제는 더욱 복잡해집니다. 이와 같은 문제를 해결하기 위해, 이 기사에서는 설계 팀이 서브 시스템 제공업체의 전문성과 규정 준수를 활용하는 데 도움이 되는 표준 서브 시스템 및 구성 요소를 소개합니다.

또한 Ganmar Technologies의 전력 컨버터 및 인터페이스 모듈을 활용하여 이러한 설계 과제에 대한 최적의 솔루션을 제공합니다. 제공되는 모듈을 활용하여 다중 위상 게이트 구동 시스템을 효율적으로 개발하고, 표준화된 폼 팩터로 메인 기판의 소중한 공간을 절약할 수 있습니다.

GMR10Dx를 사용하여 일반적인 3상 고전압, 고전력 시스템을 위한 바이어스 전력 컨트롤러 설계하기

이 섹션에서는 GMR10Dx DC/DC 컨버터 모듈을 GMR04B00x 모듈에서 제공하는 플로팅 게이트 구동 바이어스와 함께 사용하여 고전압, 고전력 시스템에서 바이어스 전력 컨트롤러를 구축하기 위한 설계 고려 사항을 간략하게 설명합니다. 그림 1a에 표시된 대로, 시스템에는 여러 스위치를 통합하고 여러 기능 블록을 위한 여러 바이어스 전압이 필요한 산업용 모터와 같은 PWM 제어형 고부하가 포함될 수 있습니다. 다음은 설계에 대한 주요 가정입니다.

• EMI 고려 사항: 이 시스템에는 근사 단위 역률이 필요하므로 PFC를 사용해야 합니다.
• 시동 논리: PFC에는 바이어스 컨버터에 대한 독립적인 시동 논리가 필요한 프로세서가 있습니다.
• 내전력: 컨트롤러 전자 부품의 내전력을 줄이는 것은 신뢰성과 냉각 시스템 요구 사항을 간소화하는 데 매우 중요합니다.
• 기성 제품 사용: 설계에서 즉시 사용 가능한 부품을 최대한 사용합니다.

그림 1a는 이후 설계 논의에서 시각적으로 참조할 수 있는 전체 시스템 구성을 제공합니다.

그림 1a: 산업용 고부하 제어 시스템 바이어스 및 시동. (이미지 출처: Ganmar Technologies)

그림 1a의 제품 구성도를 참조하여, 이 섹션에서는 바이어스 전력 컨트롤러의 설계 및 전체 시스템과의 통합을 집중적으로 다룹니다. 각 기능에 대한 설계 옵션을 살펴보겠으나 PFC 및 PWM 컨트롤러에 대한 내용은 제외하려 합니다. 해당 기능을 철저히 살펴보려면 시스템 인터페이스 요구 사항에 대한 보다 구체적인 정보가 필요합니다. 따라서 이 기사에서는 이러한 부품에 대해 자세히 언급하지 않습니다. 시스템에서 Infineon의 GS66516T와 같은 고전압 GaN 스위치가 사용된다고 가정하지만, SiC 또는 양극 스위치와 같은 대체 스위치 기술에 대한 고려 사항도 살펴보겠습니다.

또한 이 기사에서는 Ganmar Technologies의 고집적, 자가 전력 플로팅 게이트 구동 모듈, 특히 GMR04B00x를 소개합니다. 모델 번호의 'x'는 사용 가능한 다양한 이중 게이트 구동기 칩 옵션을 나타냅니다. 자세한 사양 및 옵션은 GMR04B00x 규격서를 참조하십시오.

바이어스 전력 컨트롤러

바이어스 전력 컨트롤러는 낮은 AC 입력 값에 대한 브라운아웃 보호(UVLO)를 제공하고 AC 입력이 최대 설정 한도(OVLO)를 초과하는 경우 언래치 전원 차단을 제공하도록 설계되었습니다. AC 입력이 안전한 작동 값 범위 안에 있는 경우 GRM10Dx 모듈은 일반적인 전압(일반적으로 6V 및 22V)에서 분리된 DC 출력을 생성합니다. 대규모 시스템에서는 추가 전압 형태가 필요할 수 있습니다. 그림 1b는 이러한 전압을 달성하는 데 필요한 일반적인 구성을 보여줍니다. 저전력 5V 출력은 GMR04B00x 모듈의 이중 게이트 구동기 칩, 특히 Analog Devices ADUM7223에 전력을 공급하는 데 사용됩니다. 사용할 수 있는 다른 옵션은 GMR04B00x 규격서를 참조하십시오.

그림 1b: GMR10Dx에서 파생된 일반적인 글루 회로 형태 (이미지 출처: Ganmar Technologies)

GMR04B00x 모듈은 내부적으로 자체 플로팅 사이드를 구동하여 2개의 12V 바이어스를 제공합니다. 하이사이드 12V(12VH)는 상부 전원 스위치의 VIA 출력 구동기를 바이어스하며, 게이트 구동기 레벨은 HBU 노드를 기준으로 +5.6V/-5.6V로 설정됩니다. 유사한 분할 구동 구성이 V 및 W 위상 회로에 적용됩니다.

로우사이드 스위치의 경우, GMR04B00x 모듈에서 별도의 12VL이 내부적으로 생성되며, 이는 모든 극성의 로우사이드 전력 반사 노드로 참조될 수 있습니다. 예를 들어 ADUM7223의 VIB 출력은 스플리터 네트워크에 의해 +5.6V/-5.6V로 분할되어 하부 GaN 스위치가 올바르게 작동하도록 보장합니다.

SiC 스위치의 경우 여러 버전의 GMR04B00x 모듈에서 15V, 18V 또는 22V를 제공하며, 이는 다양한 고전력 SiC 스위치에 맞게 공장에서 설정할 수 있습니다. 분할 회로 출력은 HBU/V/W 상부 노드를 기준으로 하이사이드와 로우사이드 모두에서 실리콘 카바이드 스위치를 구동하기 위한 ±플로팅 바이어스를 제공하며, 모든 극성의 하부 노드에도 유사하게 적용됩니다. 사용할 수 있는 옵션은 GMR04B00x 규격서를 참조하십시오.

바이어스 전력 컨트롤러 섹션에서는 그림 1b에 표시된 LDO와 함께 V 및 W 노드의 게이트에 직접 연결된 다른 두 GRM04B00x 인터페이스 모듈을 구동합니다. 또한 22V 출력은 LDO를 통해 사용자 기판의 아날로그 컨트롤러, 디지털 섹션 및 I/O 칩을 구동할 수 있습니다. 더 높은 전력이 필요한 경우, 응용 참고 사항의 GMR10Dx 모듈 병렬 연결 지침을 참조하십시오.

시동 문제

디지털 프로세서를 작동하려면 안정적인 전원을 공급해야 합니다. 그러려면 PFC와 분리된 개별 전원으로 바이어스 컨트롤러를 작동해야 합니다. Ganmar 전력 컨버터 회로망은 AC 소스에서 최대 18W를 소비하므로 AC 입력의 위상 관계에 최소한의 영향을 미칩니다. GMR10DX 모듈은 오프라인 응용 분야의 일반적인 범위를 포괄하는 100V_DC ~ 320V_DC 입력 전압 범위를 지원합니다.

정류기에서 최대 380V를 생성할 수 있는 고전력 응용 분야에서 종종 발생하는 더 높은 소스 전압의 경우 GMR10Dx 계열 내 다른 옵션에 대해서는 Ganmar 기술 지원팀에 문의하십시오.

그림 2는 이 모듈을 사용하여 시스템을 시동하는 데 적합한 일반 6 다이오드 브리지 정류기를 보여줍니다. AC 입력이 약 42V_RMS(60Hz 또는 400Hz)를 초과하여 소형 10µF 커패시터를 사용하는 브리지에서 200V_DC 출력이 발생하면 모듈에서는 저부하 조건에서 최대 70ms 지연으로 출력을 생성하기 시작합니다. 시동 중에 다른 시스템 블록에서 전력을 소비하지 않으므로 이 정도 지연은 허용됩니다.

과도 이벤트 중에 AC 입력으로 인해 6다이오드 브리지 정류기 출력이 컨버터 모듈의 안전 작동 범위를 초과하면 정류된 전압이 안전 수준으로 돌아올 때까지 모듈이 중지됩니다. 또한 정류된 전압이 100V 미만으로 떨어지면 부족 전압 브라운아웃 보호 기능이 활성화됩니다.

그림 2: 시동 및 바이어스를 위해 AC 입력에서 최대 18W를 직접 소모 (이미지 출처: Ganmar Technologies)

입력 필터링

GRM10Dx와 같은 전원 스위칭 모듈은 입력 전원에 대해 '음수' 임피던스 특성을 나타냅니다. 이 특성 때문에 인터페이스의 안정성을 보장하려면 필터를 신중하게 설계해야 합니다. 입력 필터의 세부 설계에 대한 내용은 다양한 보고서와 출판물에서 광범위하게 다뤄지지만, 이 기사에서는 GRM10Dx 모듈의 입력 특성에 대한 간략한 개요를 제공합니다.

정류기 전압이 200V이고 효율이 0.85인 GaN 구동으로 인한 일반적인 15W 정전력 부하의 경우 등가 임피던스는 |200²/(15/η)|로 계산되며, 약 3.14kΩ이 됩니다. 이 임피던스는 소스 임피던스에 비해 상대적으로 높으며, 따라서 필요한 필터를 사용하여 더 쉽게 효과적으로 우회할 수 있습니다. 하지만 10µF/400V 댐핑 커패시터는 GRM10Dx 모듈에 가깝게 설치하는 것이 좋습니다. 모듈 자체에 내부 스위칭 이벤트에서 발생하는 순간 전류 피크를 처리하기 위한 0.47µF 커패시터가 포함되어 있습니다. 메인 PFC 필터가 충분한 댐핑을 제공하는 경우 외부 커패시터의 등가 직렬 저항(ESR) 등급은 중요하지 않습니다.

또한 Ganmar Technologies는 GRM10Dx 모듈과 쉽게 통합할 수 있도록 퓨즈와 EMI 필터가 포함된 레거시 AC 입력 브리지 정류기 모듈을 제공합니다. 따라서 AC 전원에 연결하는 공정이 간소화됩니다. 이 모듈 통합에 대한 자세한 내용은 Ganmar 기술 지원팀에 문의하십시오.

구동기 바이어스

그림 3: 3상 연결 (이미지 출처: Ganmar Technologies)

그림 4: GMR10D000 모듈 (이미지 출처: Ganmar Technologies)

그림 3과 4는 이중 출력으로 15W를 공급할 수 있는 분리된 DC/DC 컨버터인 GMR10D000 모듈의 회로도와 사진을 보여줍니다. V_OUT1은 보통 3W에서 6.5V를 공급하고, V_OUT2는 12W에서 22V를 공급합니다. 두 출력 모두 10ms 이내에 정상 상태에 도달합니다. 이 섹션에서는 그림 1에 설명된 기능을 GMR10Dx 장치에 연결하여 원하는 기능과 성능을 달성하는 방법을 설명합니다.

그림 5: 모듈 구동 측 기능 회로도(GMR10D005 표시). (이미지 출처: Ganmar Technologies)

그림 5는 바이어스 전력 컨트롤러의 기능을 수행하기 위한 여러 GMR10Dx 모듈의 모듈 상호 연결을 보여줍니다. 이 섹션에서는 HS-U 블록의 맥락에서 GMR04B008의 응용 분야에 대해 자세히 설명합니다. 다른 두 모듈은 각 노드에 해당하는 레퍼런스 복귀를 연결하면 쉽게 복제할 수 있습니다.

그림 6: 플로팅 게이트 전력 및 직접 구동을 지원하는 GMR04B00x 내부 회로도. (이미지 출처: Ganmar Technologies)

그림 6은 일반적으로 참조되는 '접지' GNDS 노드와 관련하여 22V 전력의 가용성을 보여줍니다.

전력 스테이지 인터페이스 요구 사항

그림 6과 같이 일반적으로 GaN 시스템에서는 음수 바이어스 전압을 적용하여 GaN 전력 소자를 끄는 것이 바람직하며, 특히 전류가 30A를 초과하는 까다로운 스위칭 토폴로지에서는 더욱 권장됩니다. 그림 7은 이 접근 방식을 보여주는 예시 플롯(Infineon 웹 세미나 제공)입니다.

그림 7: V_EE가 끄기 역학에 미치는 영향 (이미지 출처: Infineon)

구현 및 켜기/끄기 특성 - 이 모듈은 Infineon 장치용 스플리터의 구현을 통해 끄기 전환 손실을 최소화하는 동시에 효율적인 켜기 및 끄기 전압을 보장합니다. 분할 구동 파형과 Infineon의 GS66xx 설계는 GS66xx의 끄기 공정에서 링잉 피크를 줄이는 고유한 변압기 설계와 함께 효율성 향상에 기여합니다.

켜기/끄기

완벽한 켜기를 위해 5.6V 게이트 구동기가 필요하며, 민감한 스위칭 노드와 트레이스 사이에서 기생 유도 용량 및 정전 용량 결합을 최소화해야 합니다. 회로망을 적절하게 배치하고 배선하려면 GaN 공급업체의 지침을 준수해야 합니다.

끄기 중에 게이트-소스 전압(V_GS)이 임계 전압(V_TH)보다 훨씬 낮아야 하며, 여기서 설명하는 회로에서 레퍼런스 레벨은 약 0V입니다. 이 기사에서는 Analog Devices의 ADUM7223 게이트 구동기 IC를 사용한다고 가정합니다. 구동기의 출력 부족 전압 차단(UVLO)은 5V이므로 GaN 장치에 필요한 5.6V 게이트 구동에 적합합니다. 이 GaN용 구동기의 내전력은 구동기의 규격서를 사용하여 계산할 수 있습니다:

250kHz 스위칭과 아래 값을 가정하여 A P_D를 계산할 수 있습니다.

구동기 구성으로 인해 100mW의 방출이 발생하는데, 이는 GMR10Dx 및 GMR04B00x 모듈의 성능 범위 내에 있는 수치입니다. GMR10Dx 모듈은 구동기에 필요한 전력보다 훨씬 더 많은 전력을 공급할 수 있으므로 작동에 필요한 강력한 전력 공급을 보장합니다.

구동기용 HV GaN 설정

GMR10Dx 모듈은 하프 브리지(HB) 구성에서 상부 및 하부 GaN 구동기 모두에 필요한 바이어스 전압을 공급합니다. 그림 8은 스플리터에서 GaN 구동기의 연결을 보여줍니다.

불규칙한 스위칭 동작과 GaN 장치의 잠재적 손상을 방지하려면 바이어스 복귀를 올바르게 참조해야 합니다. 사용자는 정확하고 안전한 작동을 위해 특정 GaN 규격서 및 응용 참고 사항에 제공된 지침과 권장 사항을 준수해야 합니다. 추가 지침은 GMR04Bx 이중 직접 구동기 통합 모듈 규격서의 응용 분야별 요약에서 확인할 수 있습니다.

그림 8: 토템 폴 배열 및 GaN 스위치에 분할 구동기가 직접 연결되는 클래식 하프 브리지 구성 (이미지 출처: Ganmar Technologies)

GMR04B00x 모듈은 상부 GaN 스위치 게이트 구동기에 필요한 플로팅 바이어스 전압을 공급하므로, 필요한 바이어스 전압을 생성하기 위해 플라잉 부트스트랩 커패시터와 같은 추가 회로망이 필요하지 않습니다.

GMR04B00x 모듈을 사용하면 플로팅 게이트 구동기 전압을 상부 및 하부 GaN 스위치의 게이트에 직접 연결하여 안정적인 ±5.6V 게이트 구동을 실현할 수 있습니다. 이 접근 방식은 컨트롤러가 상부 게이트 구동기의 바이어스를 생성하기 위해 하부 장치를 전환할 필요가 없으므로 설계가 간소화됩니다.

GMR04B00x 모듈을 사용하면 대체 바이어스 방식에 필요한 복잡성과 추가 부품 없이 상부 및 하부 GaN 스위치 모두에 원하는 게이트 구동 전압을 구현할 수 있습니다.

그림 9에 표시된 레거시 부트스트랩 체계에는 다이오드 및 무극성 커패시터와 같은 추가 부품이 필요하며, GaN 또는 기타 장치의 특정 요구 사항에 따라 값을 조정해야 할 수 있는 등 몇 가지 단점이 있습니다. 이 접근 방식에서 중대한 우려 사항은 시동 문제 및 심각한 바이어스 부족입니다. 또한 레거시 부트스트랩 체계는 양극 HB 노드와 호환되지 않습니다.

그림 9: 레거시 플로팅 게이트 구동기 바이어스 체계 (이미지 출처: Ganmar Technologies)

이와 대조적으로 GMR10Dx 및 GMR04B00x 모듈의 콤팩트한 레이아웃은 관련 확장 기능과 함께 공간 절약 이점을 강조합니다. 따라서 효율적인 바이어스와 적절한 참조가 필요한 응용 분야에서 실용적인 솔루션입니다.

전류 감지

그림 10과 11은 션트 저항기를 사용한 전류 감지와 GMR10Dx 및 GMR04B00x 모듈을 통합하여 보여줍니다. 션트 저항기는 보통 회로를 통해 흐르는 전류를 측정하고 모니터링하는 데 사용됩니다. 이러한 저항기를 전류 경로에 적절하게 배치하면 저항기를 통한 전압 강하를 측정하여 전류를 계산하는 데 사용할 수 있습니다.

GMR 모듈의 맥락에서 전류 감지 션트 저항기는 부하 또는 고대역폭 분리된 전류 감지 모듈과 직렬로 연결됩니다. 이 설정은 정확한 전류 감지 및 모니터링을 보장합니다. GMR 모듈은 전류 감지 시스템을 지원하는 데 필요한 플로팅 또는 접지 레퍼런스 바이어스 전압 및 전력을 제공하여 안정적이고 정밀한 측정을 보장합니다.

전류 감지를 시스템 설계에 통합하여 전류 레벨에 대한 중요한 정보를 수집하고 회로 또는 시스템 성능을 모니터링할 수 있습니다. 이는 모터 제어기, 전력 전자 부품, 재생 에너지 시스템과 같이 정밀한 전류 제어 또는 보호가 필요한 응용 분야에 특히 유용합니다.

그림 10: 레거시 션트 저항기 전류 감지. (이미지 출처: Ganmar Technologies)

그림 11: GMRCS000 무손실 전류 감지 (이미지 출처: Ganmar Technologies)

Ganmar Technologies는 콤팩트한 분리형 무손실 전류 센서 솔루션으로 GMRCSN000 및 GMRCSP000 모듈을 제공합니다. 이러한 모듈은 전류 경로에 션트 저항기를 추가할 필요 없이 고대역폭 분리된 전류 감지를 제공합니다. 이를 통해 전력 손실을 제거하고 설계를 간소화할 수 있습니다.

GMRCSN000 및 GMRCSP000 모듈은 회로를 통해 흐르는 전류를 감지하고 두 출력 극성(0 ~ +Vsense 및 -Vsense ~ 0)을 제공합니다. 이 출력 범위는 내장형 컨트롤러의 ADC(아날로그 디지털 컨버터)와 직접 연결하거나 브리지리스 PFC 응용 분야에 사용되는 아날로그 컨트롤러에 적합합니다.

GMRCSN000 또는 GMRCSP000 모듈을 활용하면 전류 감지 구현을 간소화하고 소중한 기판 공간을 절약하며 정확하고 분리된 전류 측정을 보장할 수 있습니다. 이러한 모듈과 해당 부품 번호에 대해 알아보려면 Ganmar Technologies의 기술 지원팀에 자세한 지원 및 통합 지침을 문의하십시오.

결론

이 기사에서는 고전압, 고전력 GaN 스위치와 함께 GMR10Dx 및 GMR04B00x 모듈을 사용하여 시스템 시동 및 바이어스를 위한 포괄적인 설계 접근 방식을 자세히 알아보았으며 3상 모터, 3상 인버터, 레벨 3 EV 충전기와 같은 응용 제품에 일반적으로 사용되는 Infineon의 GaN 스위치를 중점적으로 소개했습니다.

이 설계는 향상된 신뢰성, 소형화, 효율성 등 기존 방식에 비해 여러 가지 이점을 제공합니다. GMR10Dx 및 GMR04B00x 모듈은 시스템 시동 및 바이어스를 위한 강력한 다목적 솔루션을 제공하여, 이러한 스위치의 게이트에 직접 연결할 수 있습니다.

또한 이 기사에서는 유연한 출력 기능을 갖춘 콤팩트 무손실 전류 감지 솔루션을 제공하는 GMRCSN000 및 GMRCSP000 모듈을 소개했습니다. 이러한 모듈은 전류 감지 구현을 간소화하고 정확한 분리된 전류 측정을 제공합니다.

설계자는 이 기사에 설명된 설계 접근 방식 및 솔루션을 활용하여 GaN 스위치를 사용하는 시스템의 성능과 신뢰성을 크게 개선할 수 있습니다. 또한 Ganmar Technologies가 제공하는 전문 지식과 지원을 활용할 수 있습니다.