고집적 게이트 드라이버로 모터 제어 설계 공간 절감

리튬 이온 배터리로 동력을 제공받는 고출력 밀도, 높은 효율성, 3상 브러시리스 DC(BLDC) 모터를 이용하면 무선 전동 공구, 진공청소기 및 전기 자전거를 개발할 수 있습니다. 하지만 더 콤팩트한 전기 기계 장치의 경우 공간 절약이 매우 중요하므로 설계자는 모터 제어 전자기기의 크기를 줄여야 하는 부담을 안고 있습니다.

이는 간단한 작업이 아닙니다. 여러 드라이버 부품을 협소한 공간에 끼워 넣어야 하는 일도 분명히 어려운 일이지만, 모든 부품을 가까이 배치하면 열 관리 부담도 늘어나고 당연히 전자파 장해(EMI) 문제의 부담도 커집니다.

모터 제어 회로 설계자는 모터 제어 시스템 중 가장 중요한 요소인 새로운 세대의 고집적 게이트 드라이브를 선택하여 더 날렵하게 제품을 설계할 수 있습니다.

이 기사에서는 적합한 게이트 드라이버와 이를 이용해 콤팩트 모터 제어 시스템의 설계 문제를 극복하는 방법을 소개하기 전에 BLDC 모터의 작동에 대해 먼저 설명하겠습니다.

더 나은 전기 모터 제작

전기 모터 설계는 에너지 효율성과 공간 절감을 두 가지를 모두 달성해야 하는 상업적 부담으로 인해 빠르게 진화해 왔습니다. 디지털 제어식 BLDC 모터는 이 진화의 한 갈래를 대표합니다. 이 모터가 인기있는 이유는 동일한 속도와 부하에서 모터를 실행할 경우 기존(브러시 정류식) DC 모터보다 20% ~ 30% 향상된 효율성을 제공하는 전자 정류를 사용하기 때문입니다.

효율성이 향상된 덕분에 BLDC 모터는 같은 전원 출력으로도 더 작고, 가벼우며, 더 조용하게 작동됩니다. BLDC 모터의 다른 장점으로는 탁월한 속도 대 토크 특성, 더욱 동적인 반응, 잡음이 없는 작동, 더 높은 속도 범위 등이 있습니다. 또한 더 높은 전압과 주파수에서 작동할 수 있을 경우 콤팩트 전기 모터가 대형의 기존 모터와 동일한 작업을 수행할 수 있으므로 엔지니어는 이러한 조건에 부합하도록 설계를 더욱 발전시키고 있습니다.

BLDC 모터 성공의 열쇠는 전자 스위치 모드 전원 공급 장치와 3상 입력을 생산하는 모터 제어 회로도이며, 이러한 회로도는 모터의 회전자를 끌어당기는 회전 자기장을 생성합니다. 자기장과 회전자는 동일한 주파수에서 회전하므로 모터는 “동기식”으로 분류됩니다. 홀 효과 센서는 고정자와 회전자의 상대 위치를 전달해 컨트롤러가 적절한 순간에 자기장을 전환할 수 있도록 합니다. 고정자와 회전자 위치를 결정할 수 있도록 다시 기전력(EMF)을 모니터링하는 “무센서” 기술도 제공됩니다.

3상 BLDC 모터에 순차적으로 전류를 적용하기 위한 가장 일반적인 구성에는 브리지 구조로 배열된 세 쌍의 전력 MOSFET을 포함합니다. 각 쌍은 인버터 역할을 해 DC 전압을 전원 공급 장치에서 모터 권선을 구동하는 데 필요한 AC 전압으로 변환합니다(그림 1). 고전압 응용 분야에서 절연 게이트 양극 트랜지스터(IGBT)는 보통 MOSFET 대신 사용됩니다.

그림 1: 디지털 3상 BLDC 모터 제어는 일반적으로 세 쌍의 MOSFET를 사용하며 각 쌍은 모터 권선에 AC 전압을 제공합니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

트랜지스터 쌍은 로우사이드 장치(접지에 연결된 소스)와 하이사이드 장치(접지와 고전압 전원 레일 사이에 떠 있는 소스)로 구성됩니다.

일반적인 배열에서 MOSFET 게이트는 펄스 폭 변조(PWM)를 이용해 제어되며 PWM은 입력 DC 전압을 변조된 구동 전압으로 효과적으로 변환합니다. 예상되는 최대 모터 회전 속도보다 최소 한 자릿수가 높은 PWM 주파수가 사용되어야 합니다. MOSFET의 각 쌍이 1상 모터의 자기장을 제어합니다. BLDC 구동에 대한 자세한 내용은 라이브러리 문서 “브러시리스 DC 모터에 전원을 공급하고 제어하는 방법”을 참조하십시오.

전기 모터 제어 시스템

완전한 모터 제어 시스템은 전원 공급 장치, 호스트 마이크로컨트롤러, 게이트 드라이버, 하프 브리지 토폴로지의 MOSFET으로 구성됩니다(그림 2). 마이크로컨트롤러는 PWM 듀티 사이클을 설정하고 개회로 제어를 관리합니다. 저전압 설계에서 게이트 드라이버와 MOSFET 브리지는 한 유닛으로 통합되기도 합니다. 하지만 고전력 유닛의 경우 열 관리를 용이하게 하고 게이트 드라이버 및 브리지에 다른 프로세스 기술을 사용할 수 있게 지원하며 EMI를 최소화할 수 있도록 게이트 드라이버와 MOSFET 브리지가 분리됩니다.

그림 2: TI MSP 430 마이크로컨트롤러를 기반으로 한 BLDC 전기 모터 제어 회로도. (이미지 출처: Texas Instruments)

MOSFET 브리지는 별도의 장치나 통합 칩으로 구성될 수 있습니다. 동일한 패키지에 로우사이드 및 하이사이드 MOSFET을 통합하는 것의 핵심 장점은, MOSFET의 소비 전력이 다른 경우라도 상단 및 하단의 MOSFET 간에 자연스러운 열 평형화가 이루어질 수 있다는 점입니다. 통합 장치든 별도 장치든 관계없이 각 트랜지스터 쌍에는 전환 타이밍과 구동 전류를 제어하기 위한 독립적인 게이트 드라이버가 필요합니다.

또한 별도의 부품을 이용해 게이트 드라이브 회로망을 설계할 수도 있습니다. 이 접근 방식의 장점은 엔지니어가 게이트 드라이버를 MOSFET 특성에 맞게 정밀하게 조정해 성능을 최적화할 수 있다는 점입니다. 단점은 높은 수준의 모터 설계 경험을 위한 요구 사항과 별도의 솔루션을 수용하는 데 필요한 공간입니다.

모듈식 모터 제어 솔루션은 대안을 제공하며 광범위한 통합 게이트 드라이버가 시판되고 있습니다. 더 나은 모듈식 게이트 드라이브 솔루션에는 다음이 포함됩니다.

• 장치에 필요한 공간을 최소화하기 위한 높은 수준의 통합
• 전환 손실을 줄이고 효율성을 향상하는 높은 구동 전류
• MOSFET이 최소한의 내부 저항으로 전도되도록 보장하는 높은 게이트 드라이브 전압(“R_DS(켜짐)”)
• 최악의 상황에서도 신뢰할 수 있는 시스템 작동을 지원하기 위한 높은 수준의 과전류, 과전압, 과열 보호 성능

Texas Instruments의 DRV8323x 3상 게이트 드라이버 제품군 등의 장치는 고효율성 BLDC 모터의 요구 사항을 충족하는 동시에 시스템 부품 수, 비용, 복잡성을 줄여줍니다.

DRV8323x 제품군에는 세 가지 변형 제품이 있습니다. 각 제품은 세 개의 독립된 게이트 드라이버를 통합해 하이사이드 및 로우사이드 MOSFET 쌍을 구동할 수 있습니다. 게이트 드라이버에는 하이사이드 트랜지스터를 위해 높은 게이트 전압(최대 100% 듀티 사이클 지원)을 생성하는 충전 펌프와 로우사이드 트랜지스터에 전원을 공급하기 위한 선형 조정기가 포함됩니다.

TI 게이트 드라이버에는 필요한 경우 로우사이드 MOSFET 전반의 전압을 증폭시키도록 구성할 수 있는 감지 증폭기가 포함됩니다. 이 장치는 최대 1A를 소싱할 수 있고 2A 싱크 피크 게이트 구동 전류를 보유하며 6V ~ 60V의 폭넓은 공급 범위의 단일 전원 공급 장치로 작동시킬 수 있습니다.

예를 들어 DRV8323R 버전은 로우사이드 션트 저항기를 이용해 각 MOSFET 브리지 전반의 전류 레벨을 모니터링하기 위한 3개의 양방향 전류 감지 증폭기를 통합합니다. 전류 감지 증폭기의 이득 설정은 SPI 또는 하드웨어 인터페이스를 통해 조정할 수 있습니다. 마이크로컨트롤러는 DRV8323R의 EN_GATE에 연결되어 있으므로 게이트 드라이브 출력을 활성화 또는 비활성화할 수 있습니다.

또한 DRV8323R 장치도 외부 컨트롤러에 전력을 공급하는 데 사용될 수 있는 600mA 벅 조정기를 통합합니다. 이 조정기는 게이트 드라이브 전원 공급 장치 또는 별도의 전원 공급 장치를 사용할 수 있습니다(그림 3).

그림 3: TI의 DRV8323R과 같은 고집적 게이트 드라이버는 공간을 절감하는 동시에 시스템 부품 수, 비용 및 복잡성을 줄여줍니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

게이트 드라이버에는 전원 공급 장치 부족 전압 차단, 충전 펌프 부족 전압 차단, 과전류 모니터링, 게이트 드라이버 단락 감지, 과열 시 전원 차단을 포함한 광범위한 보호 기능이 포함됩니다.

각 DRV832x는 5mm x 5mm ~ 7mm x 7mm(옵션에 따라 다름) 크기의 칩에 패키지화됩니다. 이 제품은 24개 이상의 별도 부품으로 인해 필요했던 공간을 절감해 줍니다.

집적 게이트 드라이버가 포함된 설계

설계자가 바로 시작해서 실행할 수 있도록 TI는 참조 설계인 TIDA-01485를 제공합니다. 이는 10셀 리튬 이온 배터리로 작동하는 전동 공구 등의 응용 제품용 3상 36V BLDC 모터를 위한 99%의 효율성을 가진 1kW 전력 스테이지 참조 설계입니다.

참조 설계는 DRV8323R과 같은 고집적 게이트 드라이버를 이용하여 이 전력 레벨에서 가장 작은 모터 제어 회로 중 하나의 기반을 형성해 모터 제어 설계에서 공간을 절감할 수 있는 방법을 보여줍니다. 참조 설계는 센서 기반 제어를 구현합니다. (라이브러리 문서 “3상 브러시리스 DC 모터를 사인 곡선적으로 제어하는 방법과 이유” 참조.)

참조 설계의 주요 요소는 MSP430F5132 마이크로컨트롤러, DRV8323R 게이트 드라이버, 3개의 CSD88599 60V 하프 브리지 MOSFET 전원 공급 회로입니다(그림 4).

그림 4: TIDA-01485는 10셀 리튬 이온 배터리로 전원을 공급할 수 있는 3상 36V BLDC 모터의 1kW, 99% 효율성의 전력 스테이지 참조 설계입니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

게이트 드라이버는 별도 설계의 수많은 복잡성을 제거해주는 고집적 모듈식 솔루션이지만 완전한 기능을 제공하는 시스템을 제작하기 위해서는 아직 몇 가지 설계 작업이 필요합니다. 참조 설계는 설계자가 하나의 포괄적인 솔루션을 시연해 프로토타입을 매핑하는 데 도움이 됩니다.

예를 들어 게이트 드라이버가 올바르게 작동하려면 몇 개의 감결합 커패시터가 필요합니다. 참조 설계에서 1μF 커패시터(C13)가 DRV8323R의 내부 선형 전압 조정기에서 파생된 로우사이드 MOSFET의 드라이브 전압(DVDD)을 분리합니다(그림 5). 이 커패시터는 루프 임피던스를 최소화할 수 있도록 가능한 한 게이트 드라이버에 가깝게 배치되어야 합니다. 4.7μF(C10)의 값을 가지는 두 번째 감결합 커패시터는 36V 배터리에서 DC 공급 입력(PVDD)을 분리하는 데 필요합니다.

그림 5: DRV8323R 게이트 드라이버를 위한 응용 제품 회로. 트레이스 길이는 EMI를 제한할 수 있도록 최소화되어야 합니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

다이오드 D6은 단락 상태 중에 배터리 전압이 떨어질 경우 게이트 드라이버 전원 공급 장치를 분리하는 데 도움이 됩니다. 이 다이오드의 존재는 PVDD 감결합 커패시터(C10)가 잠깐 동안의 감소 시에도 입력 전압을 유지할 수 있도록 지원하므로 중요합니다.

전압을 유지하면 게이트 드라이버가 원치 않는 부족 전압 차단 상태에 들어가는 것을 막아줍니다. C11 및 C12는 충전 펌프 작동을 지원하는 핵심 장치이며 가능한 한 게이트 드라이버에 가깝게 배치되어야 합니다.

이는 주로 EMI를 줄이기 위해 하이사이드 및 로우사이드 게이트 드라이버의 루프 길이를 최소화하기에 좋은 일반적인 설계 관행입니다. 하이사이드 루프는 DRV8323 GH_X부터 전력 MOSFET까지이며 SH_X를 통해 되돌아옵니다. 로우사이드 루프는 DRV8323 GL_X부터 전력 MOSFET까지이며 GND를 통해 되돌아옵니다.

전환 타이밍의 중요성

MOSFET의 선택은 BLDC 모터의 성능과 효율성에 핵심적인 역할을 합니다. MOSFET 제품군은 모두 서로 다르므로 각 선택은 필요한 전환 시간에 따라 달라집니다. 타이밍이 약간만 틀려도 비효율성, EMI 상승, 모터 고장 가능성 등의 다양한 문제를 유발할 수 있습니다.

예를 들어 타이밍이 잘못되면 로우사이드 및 하이사이드 MOSFET이 동시에 켜져 대규모의 단락을 야기할 수 있는 슛스루 상태를 유발할 수 있습니다. 다른 타이밍 문제에는 MOSFET을 손상시킬 수 있는 기생 정전 용량에 의해 트리거된 과도 상태가 포함됩니다. 또한 외부 단락, 납땜 브리지 또는 특정 상태에서 끊어진 MOSFET에 의해서도 문제가 유발될 수 있습니다.

TI에서는 DRV8323에 “스마트” 게이트 드라이버로 라벨을 표시합니다. 이렇게 하면 이러한 문제를 해소할 수 있도록 설계자에게 타이밍과 피드백에 대한 제어력을 제공하기 때문입니다. 예를 들어 드라이버에는 게이트 드라이버에서 단락 발생 시 보호 기능을 제공하고 MOSFET 브리지 사망 시간(I_DEAD)을 제어하고 외부 전원 MOSFET의 기생 전원 켜기에 대한 보호 기능을 제공할 수 있도록 내부 상태 기계가 포함됩니다.

또한 DRV8323 게이트 드라이버에는 하이사이드 및 로우사이드 드라이버를 위한 가변 푸시풀 토폴로지가 포함되어 외부 MOSFET 브리지의 강력한 풀업과 풀다운을 지원하므로 부유 정전 용량 문제를 방지할 수 있습니다. 가변 게이트 드라이버는 접촉식 게이트 드라이브 전류(I_DRIVE) 및 기간(t_DRIVE) 변경(게이트 드라이브 저항기를 제한하는 전류 요구 사항 없이)을 지원해 시스템 작동을 미세 조정할 수 있습니다.

그림 6: 3상 BLDC 모터를 위한 MOSFET 브리지 중 하나에서 하이사이드(V_GHx) 및 로우사이드 트랜지스터(V_GLx)의 전압 및 전류 입력. I_DRIVE 및 t_DRIVE는 적합한 모터 작동과 효율성을 위해 중요합니다. I_HOLD는 게이트를 원하는 상태로 유지 관리하는 데 사용되며 I_STRONG은 로우사이드 트랜지스터의 게이트-소스 정전 용량이 켜기를 유도하는 것을 방지합니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

I_DRIVE 및 t_DRIVE는 처음에 게이트-드레인 전하, 원하는 상승 및 하강 시간 등의 외부 MOSFET 특성을 바탕으로 선택되어야 합니다. 예를 들어 I_DRIVE가 너무 낮고 MOSFET의 상승 및 하강 시간이 더 길어진다면 전환 손실이 늘어납니다. 상승 및 하강 시간도 각 MOSFET의 프리휠링 다이오드의 복구 스파이크의 에너지와 기간을 결정(어느 정도는)하며 이는 추가적으로 효율성을 저하시킬 가능성이 있습니다.

게이트 드라이버의 상태를 변경할 때 I_DRIVE가 게이트 정전 용량을 완전히 충전하거나 방전하기에 충분한 t_DRIVE 기간에 대해 적용됩니다. 일반적으로 MOSFET의 스위칭 상승 및 하강 시간의 약 2배가 되도록 t_DRIVE를 선택하는 것이 보통입니다. t_DRIVE는 PWM 시간을 증가시키지 않으며 활성 기간 중에 PWM 명령이 수신되면 종료됨에 유의하십시오.

t_DRIVE 기간 후에 게이트를 원하는 상태(풀업 또는 풀다운)로 유지하기 위해 고정 유지 전류(I_HOLD)가 사용됩니다. 하이사이트 켜기 중에 로우사이드 MOSFET 게이트는 트랜지스터의 게이트-소스 정전 용량이 켜기를 유도하는 것을 방지할 수 있도록 강한 풀다운의 대상이 되어야 합니다.

고정 t_DRIVE 기간은 MOSFET 게이트의 단락 등의 결함 조건 하에서 피크 전류 시간이 제한되도록 보장합니다. 이는 전달되는 에너지를 제한하고 게이트 드라이브 핀과 트랜지스터에 대한 손상을 방지합니다.

결론

모듈식 모터 드라이브는 수십 개의 별개 부품을 제거하여 공간을 절감하고 디지털적으로 제어되는 콤팩트한 높은 출력 밀도의 차세대 BLDC 모터의 이점을 향상합니다. 이러한 “스마트” 게이트 드라이버에는 기생 정전 용량의 효과를 완화하고 EMI를 줄이는 한편 전력 MOSFET 스위칭 타이밍 설정의 까다로운 개발 프로세스를 용이하게 하는 기술이 포함됩니다.

여전히 전력 MOSFET 및 감결합 커패시터 등의 주변 소자 회로망이 신중하게 선택되도록 보장하려면 어느 정도의 관리가 필요합니다. 하지만 보시다시피 주요 모터 드라이브 공급업체는 개발자가 프로토타입의 기반으로 활용할 수 있는 참조 설계를 제공합니다.