배터리 구동 응용 분야를 위한 열 인식 고전력 인버터 기판

오늘날 배터리로 작동하는 모터 구동 솔루션은 매우 낮은 작동 전압을 사용하여 수백 와트의 전력을 공급할 수 있습니다. 이러한 응용 분야에서는 전반적인 시스템 효율성과 신뢰성을 보장하기 위해 모터 구동 전자 장치에 흐르는 전류를 적절하게 관리해야 합니다. 실제로 모터 전류가 수십 암페어를 초과하면 인버터 내부의 소비 전력 증가로 이어집니다. 인버터 부품에 더 많은 전력을 공급하면 온도가 상승하고 성능이 저하되며 최대 허용 정격을 초과할 경우 갑자기 중단되기도 합니다. 콤팩트 폼 팩터와 결합된 열 성능 최적화는 적절히 해결되지 않으면 향후 문제를 일으킬 수 있는 인버터 설계 단계의 주요 측면입니다. 이 문제에 대한 접근 방식은 현장에서 검증하고 개선된 프로토타입을 연속적으로 제작하는 것이었습니다. 그러나 전기 평가와 열 평가는 완전히 개별적이었고, 전기 열 커플링 효과는 설계 중에 다루어지지 않았습니다. 이로 인해 일반적으로 여러 번의 반복 작업을 야기했고 시장 출시 시간이 길어졌습니다. 최신 시뮬레이션 기술을 활용하여 모터 제어기 시스템의 전열 성능을 최적화할 수 있는 더욱 효과적이고 바로 이용 가능한 대안이 있습니다. 시스템 분석을 위한 업계 최고의 전기-열 공동 시뮬레이션 소프트웨어인 Cadence® Celsius™ Thermal Solver는 전기적 관점과 열적 관점에서 모두 설계 성능에 대한 글로벌하고 정확한 평가를 단 몇 분 만에 제공합니다. 산업용 모터 제어기 집적 회로의 선도적인 제조업체인 STMicroelectronics는 Celsius™를 사용하여 EVALSTDRIVE101 평가 기판을 세밀하게 다듬었습니다. 그 결과 최종 응용 분야 설계자가 참조할 수 있는 최대 전류 15A_rms의 구동 능력을 갖춘 3상 브러시리스 모터용 인버터가 만들어졌습니다. 이 기사에서는 STMicroelectronics가 EVALSTDRIVE101을 생산함으로써 열 최적화에 필요한 노력을 줄일 수 있었던 워크플로를 설명합니다.

EVALSTDRIVE101

EVALSTDRIVE101은 75V 3중 하프브리지 게이트 구동기인 STDRIVE101을 기반으로 하며 QFN(Quad Flat No-Lead) 4mm x 4mm 패키지로 보호되고 배터리 구동 솔루션에 완벽하게 적합하며 6개의 STL110N10F7 전력 MOSFET이 3개의 하프브리지로 배열되어 있습니다. Celsius™는 EVALSTDRIVE101 최적화 공정을 획기적으로 간소화하여 단기간에 컴팩트하고 안정적인 설계를 달성했습니다. 나중에 설명하겠지만 시뮬레이션 결과를 사용하여 부품 배치를 반복적으로 조정하고 평면과 트레이스의 모양을 다듬고 레이어 두께를 수정하고 비아(Via)를 추가하거나 제거하여 즉시 생산 가능한 인버터 버전을 얻을 수 있습니다. EVALSTDRIVE101의 최적화된 레이아웃은 2온스 구리, 폭 11.4cm, 높이 9cm의 4개 레이어로 구성되며, 배터리 전압 36V를 사용하여 부하에 최대 15 A_rms 전류를 전달할 수 있습니다. 열적 관점에서 EVALSTDRIVE101의 가장 중요한 부분은 주로 전력 MOSFET, 션트 저항기, 세라믹 바이패스 커패시터, 전해 벌크 커패시터, 커넥터를 포함하는 전력 스테이지 영역입니다. 이 부분의 레이아웃은 전체 기판 크기의 절반, 즉 50cm²만 덮을 정도로 매우 축소되었습니다. 이와 관련하여 인버터가 작동하는 동안 대부분의 전력 손실은 이러한 부품에서 일으키기 때문에 MOSFET의 배치와 라우팅에 특별한 주의를 기울였습니다. 모든 MOSFET 드레인 단자의 구리 영역은 상단 레이어에서 가장 크고 가능한 경우 다른 레이어에도 복제 및 확대하여 기판 표면 하단으로의 열전달을 개선했습니다. 이러한 방식으로 기판의 상단과 하단 표면은 자연 대류와 복사에 의한 방열에 효과적으로 기여합니다. 공기 흐름을 용이하게 하고 냉각을 개선하는 0.5mm 직경의 비아를 통해 서로 다른 레이어 간의 전기와 열이 연결됩니다. MOSFET 노출 패드 바로 아래에 위치한 비아의 그리드는 구멍에서 납땜 페이스트 리플로를 방지하기 위해 직경을 0.3mm로 줄였습니다.

전력 손실 추정치

그림 1: 시뮬레이션된 상단 레이어의 전류 밀도 (이미지 출처: STMicroelectronics)

그림 2: 시뮬레이션된 상단 레이어의 정상 상태 온도 (이미지 출처: STMicroelectronics)

EVALSTDRIVE101의 열 최적화는 열 시뮬레이터의 입력 중 하나인 인버터가 작동하는 동안 소비하는 전력의 추정치에서 시작되었습니다. 인버터 손실은 기판 트레이스 내의 줄 효과로 인한 손실과 전자 부품으로 인한 손실의 두 가지 원인으로 나눌 수 있습니다. Celsius™는 레이아웃 데이터를 가져와 직접 전류 밀도와 기판 손실을 정확하게 파악할 수 있지만 전자 부품으로 인한 손실은 계산해야 합니다. 회로 시뮬레이터가 매우 정확한 결과를 제공할 수 있지만 단순한 공식을 사용하면 근사치라 하더라도 합리적인 전력 손실 추정치를 얻을 수 있습니다. 사실 부품의 전기 모델은 제조업체에서 구할 수 없고 모델링 데이터도 부족하여 처음부터 구현하기 어렵거나 구현하지 못할 수 있지만 제공된 공식은 규격서의 기본 정보만 있으면 됩니다. 2차 현상을 제외하고 인버터의 소비 전력은 션트 저항기 P_sh와 MOSFET 내부 손실에 의해 좌우됩니다. 이러한 손실은 전도 P_cond, 스위칭 P_sw, 다이오드 강하 P_dt에 의한 것입니다.

예상 소비 전력은 각 MOSFET당 1.303W, 각 션트 저항기당 0.281W였습니다.

열 시뮬레이션

Celsius™를 사용하면 설계자는 전압 강하뿐만 아니라 트레이스와 비아의 전류 밀도를 보여주는 시스템의 전기 분석을 포함한 시뮬레이션을 할 수 있습니다. 이러한 시뮬레이션에서는 설계자가 시스템의 회로 모델을 사용하여 관련 전류 루프를 정의해야 합니다. EVALSTDRIVE101의 각 하프 브리지에 채택된 모델은 그림 3에 나와 있습니다. 이 모델은 출력과 전원 공급 장치 커넥터 사이에 배치된 2개의 정전류 생성기와 MOSFET과 션트 저항기를 우회하는 3개의 단락 회로로 구성됩니다. 두 개의 전류 루프는 공급 레일과 접지면 전체에 걸쳐 실제 사례의 평균 전류와 잘 맞지만 출력 경로 전류는 약간 더 초과하고 있습니다. 이는 설계 견고성을 평가할 때 작동 조건의 편의성 때문입니다. 그림 4와 그림 1은 15A_rms의 전류에서 EVALSTDRIVE101의 전압 강하와 전류 밀도를 보여줍니다. 접지 레퍼런스에 대한 전압 강하는 U, V, W의 경우 28mV, 25mV, 23mV에서 병목 현상이 발생하지 않고 균형이 잘 잡힌 출력으로 특히 최적화된 레이아웃을 강조합니다. 출력 U는 가장 높은 전압 강하를 나타내고 출력 W는 가장 낮은 전압 강하를 나타냅니다. 전력 커넥터에서 경로 길이가 더 짧기 때문입니다. 전류는 다양한 경로에 잘 분산되어 있으며 평균 밀도가 15A/mm² 미만입니다. 이는 전력 트레이스 크기 조정에 권장되는 값입니다. 일부 MOSFET, 션트 저항기, 커넥터 부근에 빨간색 영역으로 강조 표시되어 있습니다. 이 강조 표시는 부품의 단자가 기본 전력 트레이스보다 작기 때문에 전류 밀도가 더 높음을 나타냅니다. 그러나 최대 전류 밀도는 50A/mm²의 제한에 훨씬 못 미치기 때문에 현실적으로 신뢰성 문제로 이어질 수 있습니다.

그림 3: 전류 루프 모델링 (이미지 출처: STMicroelectronics)

설계자는 시뮬레이터를 통해 정상 상태 또는 과도현상 시뮬레이션을 설정하고 실행할 수 있습니다. 전자는 레이어와 부품에 대한 단일 2D 온도 맵을 제공하는 반면 후자는 더 긴 시뮬레이션 시간을 들여 시뮬레이션된 각 순간과 예열 곡선 맵을 제공합니다. 정상 상태 시뮬레이션에 필요한 설정을 과도현상 시뮬레이션에 적용할 수 있지만 이를 위해서는 부품에 대한 소비 전력 기능의 정의가 추가로 필요합니다. 과도현상 시뮬레이션은 전원이 동시에 활성화되지 않은 시스템에 서로 다른 작동 상태를 정의하고 정상 상태 온도에 도달하는 데 필요한 시간을 평가할 때 적합합니다.

그림 4: 시뮬레이션된 내부 레이어의 전압 강하 (이미지 출처: STMicroelectronics)

EVALSTDRIVE101 시뮬레이션은 경계 조건으로 열전달 계수와 장치에 대한 두 가지 저항기 열 모델을 사용하여 주위 온도 28°C에서 수행되었습니다. 이러한 모델은 부품의 규격서에서 직접 사용할 수 있기 때문에 Delphi와 같은 상세한 열 모델 대신 사용되었지만 시뮬레이션 정확도는 약간 떨어집니다. EVALSTDRIVE101에 대한 정상 상태 결과는 그림 4에 과도현상 시뮬레이션 결과는 그림 5에 나와 있습니다. 과도현상 시뮬레이션에서 스텝 전력 기능을 사용하여 시간 0에서 모든 MOSFET과 션트 저항기를 활성화했습니다. 시뮬레이션 결과 U 하프브리지 영역이 기판에서 가장 뜨거운 것으로 확인되었습니다. Q1 MOSFET(하이사이드)은 94.06°C였고 이어서 Q4 MOSFET(로우사이드), R24, R23 션트 저항기는 각각 93.99°C, 85.34°C, 85.58°C였습니다.

그림 5: 시뮬레이션된 U 하프브리지 부품의 워밍업 (이미지 출처: STMicroelectronics)

열 특성화 설정

EVALSTDRIVE101 열 성능의 실험적 특성화는 생산 후에 이루어졌습니다. 브레이크 벤치에 연결된 모터를 사용하는 대신, 그림 6에서와 같이 구현하기 쉽도록 동등한 테스트 벤치를 고려하였습니다. EVALSTDRIVE101을 제어 기판에 연결하여 필요한 구동 신호를 생성하고 플렉시글라스 상자 내부에 배치하여 돌발적인 공기 흐름이 없는 대류를 이용해 시스템을 냉각합니다. 상자 위에 하나의 열화상 카메라(Nippon Avionics의 TVS-200 모델)가 배치되어 상자 덮개의 구멍을 통해 기판을 프레임화했습니다. 3상 부하는 기판 출력에 연결되었고 시스템은 36V로 공급되었습니다. 부하는 모터를 에뮬레이트하기 위해 스타 구성으로 배선된 3개의 코일로 이루어져 있습니다. 각 코일은 30A의 포화 전류를 가지며, 인덕턴스는 300μH, 기생 저항은 25mΩ에 불과합니다. 낮은 기생 저항은 코일 내부의 줄 가열 효과를 상당히 감소시켜서 기판과 부하 사이의 무손실 전력 전송을 가능하게 합니다. 제어 기판을 통해 적절한 사인파 전압을 인가하여 15A_rms의 코일 내부에서 세 개의 사인파 전류가 생성되었습니다. 이 방법을 사용하면 전력 스테이지가 최종 모터 구동 응용 분야에 매우 근접한 작동 조건에서 작동하여 제어 루프가 필요하지 않다는 장점이 있습니다.

그림 6: 열 특성화 설정 (이미지 출처: STMicroelectronics)

전력 손실 측정

시뮬레이션 결과의 품질에 영향을 미치는 한 가지 요인은 전력 스테이지의 각 장치에 의한 소비 전력의 데이터 정확도입니다. 이 데이터는 MOSFET과 션트 저항기 모두에 대해 간소화된 공식을 사용하여 구했으므로 근사치가 도입되었습니다. 소비 전력을 정량화할 때의 오류를 평가하기 위해 기판에서 측정했습니다. 기판의 전력 손실 P_loss는 입력 전력 P_in과 3개의 출력 P^U_out, P^V_out, P^W_out에서 부하에 전달되는 전력의 차이로 측정되었습니다. 측정은 오실로스코프(Teledyne LeCroy의 HDO6104-MS 모델)를 사용하여 파형에 적절한 수학 함수를 적용했습니다. 먼저 전압과 전류의 곱을 하나하나 계산한 다음 사인파 주기의 정수점을 통해 전력의 평균을 구했습니다. 다음 표는 전력 스테이지가 정상 상태 조건에 도달했을 때 주위 온도에서의 측정 결과와 고온 상태에서의 측정 결과를 나타냅니다. 또한 사전에 제공된 공식으로 추정한 기판의 소비 전력 값도 함께 보여줍니다.

결과는 도입된 근사치, 추정치, 측정치 사이의 매우 양호한 일치를 보여줍니다. 상온에서의 측정치는 1.5% 과대 평가되는데 같은 식으로 고온 상태 데이터에 비해 약 3.9% 과소 평가된 수치입니다. 이 결과는 공칭 값이 계산에 사용되었기 때문에 MOSFET 및 션트 저항기의 온스테이트 저항과 관련된 변동성과 일치합니다. 예상대로 모든 전력 값은 온도 상승에 따라 코일과 MOSFET의 저항 증가로 인해 상온보다 고온에서 더 높았습니다. 또한 이 데이터는 세 가지 출력에 대해 측정된 전력 간의 차이를 보여줍니다. 이 차이는 코일마다 L과 R 값이 조금씩 다르기 때문에 3상 부하의 불균형으로 인한 것입니다. 그러나 관찰된 정렬 오차가 측정치와 추정치 사이의 정렬 오차보다 낮기 때문에 이 차이는 미미합니다.

온도 결과

부하 내 사인파 전류 생성과 동시에 열화상 카메라를 이용하여 열화상 이미지를 촬영하였습니다. 열화상 카메라는 사전에 15초마다 열화상을 수집하고 캡처할 때마다 부품 Q1, Q4, R23에 대한 세 가지 온도 마커를 포함하도록 구성하였습니다. 시스템은 정상 상태에 도달할 때까지 약 25분 동안 작동 상태를 유지했습니다. 테스트가 끝날 때 상자 내부에서 감지된 주위 온도는 대략 28°C였습니다. 그림 7은 온도 마커에서 도출된 기판의 가열 과도현상을 보여주고, 그림 8은 기판의 최종 온도를 보여줍니다. 측정 결과 Q1 MOSFET의 온도는 93.8°C로 전체 기판에서 가장 뜨거운 부품인 반면 Q4 MOSFET과 R23 저항기의 온도는 각각 91.7°C와 82.6°C까지 올랐습니다. 앞서 설명한 바와 같이 Celsius™에서 시뮬레이션한 Q1 MOSFET 온도 94.06°C, Q4 MOSFET 온도 93.99°C, R23 온도 85.58°C와 측정값이 매우 양호한 일치를 보여줍니다. 그림 5와 그림 7의 직접적인 비교에서 쉽게 볼 수 있듯이 가열 과도현상이 발생한 시간대에서도 동일한 일치를 찾을 수 있습니다.

그림 7: 측정된 U 하프 브리지 부품 워밍업 (이미지 출처: STMicroelectronics)

그림 8: 측정된 상부 레이어의 정상 상태 온도 (이미지 출처: STMicroelectronics)

요약

STMicroelectronics는 최근 Cadence® Celsius™ Thermal Solver를 활용하여 설계된 EVALSTDRIVE101 평가 기판을 출시했습니다. 이 기판은 배터리 구동 응용 분야에 필요한 고전력, 저전압 3상 브러시리스 모터 제어기를 대상으로 합니다. 50cm²의 컴팩트한 전력 스테이지가 포함되어 있어 방열판이나 추가 냉각 없이 15A_rms 이상의 전류를 모터에 공급할 수 있습니다. 열 시뮬레이터에 내장된 다양한 시뮬레이션 기능을 사용하여 기판의 온도 프로파일과 전력 스테이지 부품의 과열점을 예측할 수 있을 뿐만 아니라 실험적 측정으로는 실현 불가능하거나 까다로울 수 있는 전력 트레이스를 따라 전압 강하 및 전류 밀도에 대한 자세한 정보를 얻을 수 있었습니다. 시뮬레이션 출력을 통해 설계 초기부터 승인까지 기판 레이아웃을 빠르게 최적화하고 배치를 조정하고 레이아웃 약점을 수정할 수 있었습니다. 적외선 카메라를 사용한 열 특성은 시뮬레이션과 측정된 정상 상태 온도와 과도현상 온도 프로파일이 상당히 일치함을 보여 주었으며, 설계자가 설계 마진을 줄이고 시장 출시 시간을 단축하는 데 있어 기판의 뛰어난 성능과 열 시뮬레이터가 효과적임을 입증했습니다.