C2000 실시간 MCU를 사용하여 비용 및 에너지 효율적인 EV 모터 전력 제어기 설계 개발

최신 전기 자동차(EV) 및 하이브리드 EV(HEV)의 전력 전자 부품에 대한 기술적 수요가 빠르게 증가하면서 설계자가 극복하기 어려운 과제가 점차적으로 늘어나고 있습니다. 동력 전달 장치와 에너지 변환 시스템의 에너지 효율과 출력 밀도가 높아질수록 높은 스위칭 주파수에서 작동하는 효율적인 질화 갈륨(GaN) 및 실리콘 카바이드(SiC) 기술을 통합하는 더 복잡한 제어 전자 장치가 필요합니다. 기능적 안전 외에도 커넥티드 차량은 IT 수준 보안 요구 사항에 따라 작동하며 FOTA(Firmware-over-The-Air) 업데이트와 같은 시스템 개입을 적용합니다.

빠듯한 개발 예산과 최종 제품의 가격 경쟁에 직면하여 전력 전자 부품 설계자는 보다 통합된 제어 솔루션을 개발하는 등 궁극적으로 시스템 설계를 간소화할 수 있는 방법을 찾아야 합니다.

이러한 과제를 해결하도록 돕기 위해 이 기사에서는 EV 및 HEV에서 제어 및 전력 컨버터를 구동하는 데 적합한 Texas Instruments C2000 계열 자동차 규격 실시간 마이크로 컨트롤러(MCU)의 몇 가지 장점을 설명합니다. 또한 F28003x 컨트롤러 제품군의 기능과 인터페이스를 간략하게 살펴본 후 제동 인버터의 자속 기준 제어(FOC)와 온보드 충전기의 히스테레시스 전류 제어 구현 관련 정보를 제공합니다.

제어된 구동 장치 및 전력 컨버터의 효율성 향상

오늘날 EV 및 HEV의 탁월한 성능은 구동 장치 및 전력 컨버터의 전자 제어에서 중요한 역할을 합니다. 이러한 서브 시스템에 사용되는 실시간 MCU는 복잡한 제어 알고리즘과 정확한 모터 모델을 채택하여 매우 빠르게 응답하며 제어 지연이 몇 마이크로초(µs)에 불과합니다. 실시간 폐쇄 루프 제어가 너무 느려서 정의된 시간 범위를 충족하지 못할 경우 제어 루프의 안정성, 정밀도 및 효율성이 저하됩니다.

표준 라이브러리에서 비례 적분 미분(PID) 컨트롤러를 사용할 수 있도록 벡터 컨트롤러에서는 3상 고정자 전류 시스템을 2차원 전류 공간 벡터로 변환하여 자속 밀도와 회전자 토크를 제어합니다. 빠른 전류 루프(그림 1의 파란색 화살표)에서는 제어 지연이 1µs 미만이어야 합니다.

그림 1: 안정적인 제어를 위해 실시간 MCU는 모든 루프 패스당 산술 연산(파란색 화살표)을 1µs 이내에 완료해야 합니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

빠른 벡터 제어(예: FOC)와 매우 효과적인 내부 영구 자석 동기식 자기 저항 모터(IPM-SynRM)를 결합하여 모터 구동기에서 일반 직류 모터(즉, 영구 자석 동기식 모터, PMSM)에 비해 큰 토크와 최대 96% 효율성을 실현합니다. 설계자는 C2000 계열 실시간 MCU 및 C2000WARE-MOTORCONTROL-SDK 소프트웨어를 시간 및 비용 효율적으로 사용하여 IPM-SynRM의 로렌츠 힘과 저항력 간에 가변 토크 제어를 구현할 수 있습니다. 또한 FOC를 사용하면 자석 또는 위치 센서 없이도 SynRM을 매우 정밀하게 제어할 수 있으므로, 시스템 비용과 무게를 줄이고 모터의 과부하에 대한 저항력을 높일 수 있습니다.

EV 온보드 충전기(OBC) 또는 광발전 인버터로 작동하는 AC-DC 전력 컨버터의 경우 전력 그리드의 고조파 왜곡을 방지해야 합니다. 전류의 하이브리드 히스테리시스 제어(HHC)로 이 불완전한 제로 전압 스위칭(ZVS)에 대응할 수 있습니다. 또한 개발자는 C2000 MCU를 통해 C2000WARE-DIGITALPOWER-SDK 소프트웨어 저장소의 고성능 제어 알고리즘을 적용하여 회로 설계를 가속화할 수 있습니다.

C2000 MCU를 사용하여 EV 시스템 설계 간소화

전력 시스템 설계를 간소화하기 위해 Texas Instruments는 C2000 계열 실시간 MCU를 제공하여 포괄적인 하드웨어 및 소프트웨어 환경에서 다양하고 유연한 제어 장치를 손쉽게 설계하여 복잡한 전력 제어를 빠르게 구현할 수 있도록 도와줍니다. C2000 MCU는 온보드 충전기, DC-DC 컨버터, 제동 인버터를 동시에 처리하도록 설계되었으므로 차량 설계자는 절반의 비용으로 더 작고 더 경제적인 EV 동력 전달 장치를 구현할 수 있습니다. HVAC, 운전자 보조 시스템, 연료 전지 제어와 같은 응용 제품도 고려할 수 있습니다.

시스템 설계자는 강력한 단일 MCU로 차량 전반에 분산된 여러 전력 전자 부품과 시스템 부품을 제어할 수 있습니다. TI 웹 사이트, 특히 Resource Explorer 및 C2000 Academy에서는 규격서, 응용 참고 사항, 평가 기판, 참조 설계, 교육 동영상, 개발자 포럼 등의 형태로 설계자를 풍부하게 지원합니다.

TI는 EV에 맞게 특별히 고안된 F28003x 실시간 컨트롤러 제품군을 성능, 통합, 비용의 측면에서 최적화했습니다. 240MIPS의 처리 능력 및 통합된 실시간 제어 주변 장치를 제공하므로 회로 설계자는 F280039CSPZ MCU를 기반으로 하여 모터 제어 및 전력 변환 시스템의 정밀도와 에너지 효율을 개선할 수 있습니다(FPGA 필요 없음). 또한 구현하기 쉬운 GaN 및 SiC 기술은 더 높은 스위칭 주파수와 더 작은 자기 부품 및 냉각 면적 요구 사항으로 인해 스위칭 손실을 줄이고 출력 밀도를 높입니다.

F28003x 계열은 계측 제어기 통신망 전이중(CAN FD) 통신과 여러 고속 직렬 인터페이스를 지원합니다. 384Kb 통합 플래시 메모리는 네트워크 사물 인터넷(IoT) 기능을 실행하는 데 충분한 예비 용량을 제공합니다. 보안 부팅, AES 암호화 엔진, JTAG 잠금, 하드웨어 내장형 자가 테스트(HWBIST)와 같은 온칩 보안 기능은 라이브 펌웨어, FOTA(Firmware-over-The-Air) 업데이트와 같은 네트워크 시스템 개입을 변조로부터 보호합니다. MCU는 ASIL B 요구 사항을 충족하고 안전 기능이 내장되어 있어서 응용 제품 개발과 시장 출시에 필요한 인증을 모두 가속화합니다. 그림 2는 필수 기능과 인터페이스를 간략하게 보여줍니다.

그림 2: F280039C MCU 기능별 제품 구성도는 빠른 처리, 유연한 통신 및 감지 옵션과 같은 주요 기능과 보안 부팅과 같은 보안 지원 기능을 보여줍니다. (이미지 출처: Texas-instruments)

테스트 및 시제품 제작에 이상적인 TMDSCNCD280039C는 F280039C에 적합한 평가 기판입니다. HSEC180 헤더(180핀 고속 에지 커넥터)가 탑재된 이 controlCARD를 작동하려면 TMDSHSECDOCK 180핀 도킹 스테이션이 필요합니다.

맞춤형 논리를 위한 구성 가능 논리 블록(CLB)

혁신적인 구성 가능 논리 블록(CLB)을 사용하면 프로그래머가 외부 논리, FPGA, CPLD 또는 ASIC를 제거하면서 맞춤형 논리를 C2000 실시간 제어 시스템에 통합할 수 있습니다. CLB를 추가하여 고객별 신호 및 기능으로 향상된 펄스 폭 변조기(ePWM), 향상된 캡처(eCAP), 향상된 직각 위상 인코더 폴스(eQEP)와 같은 기존 C2000 주변 장치 모듈을 확장할 수 있습니다.

논리 블록은 C2000Ware 내에서 사용 가능한 C2000 SysConfig를 통해 구성됩니다. TI의 Code Composer Studio(CCS) 통합 개발 환경(IDE)에 포함되어 있거나 다른 IDE와 함께 독립형 도구로 사용 가능한 SysConfig 도구가 필요합니다(그림 3).

그림 3: CLB를 사용하면 C2000 실시간 제어 시스템에서 맞춤형 논리를 손쉽게 구현할 수 있으므로 외부 논리 및 FPGA가 필요하지 않습니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

C2000Ware 소프트웨어 및 설명서 패키지는 포괄적인 장치 관련 드라이버, 라이브러리 및 응용 사례를 제공하고 CLB를 통해 주변 장치를 확장하여 개발 시간을 최소화합니다.

C2000 내장형 응용 제품의 코드 개발 및 디버깅에는 CCS IDE가 기반으로 사용됩니다. 도구 모음에는 최적화된 C/C++ 컴파일러, 소스 코드 편집기, 프로젝트 빌드 환경, 디버거, 프로파일러 및 기타 다양한 기능이 포함되어 있습니다. 직관적인 IDE는 응용 제품 개발의 모든 단계를 안내하는 단일 사용자 인터페이스를 제공합니다. Eclipse 소프트웨어 프레임워크를 기반으로 하는 익숙한 도구 및 인터페이스로 빠르게 시작할 수 있습니다.

클로킹 및 테스트

CLB를 사용하여 복잡한 클록 주변 장치에 개입하는 대신, 프로그래머는 프로그래밍 또는 검증 중에 EPG(Embedded Pattern Generator)를 사용하여 간단한 테스트 시나리오를 수행할 수 있습니다. 독립형 EPG 모듈은 맞춤형 펄스 패턴(SIGGEN) 및 클록 신호(CLOCKGEN) 생성을 용이하게 하지만, 수신되는 직렬 데이터 스트림을 캡처 및 재형성하거나 생성된 클록 신호와 동기화할 수도 있습니다.

C2000 실시간 시스템에서 중요 CPU 버스 및 장치 이벤트를 비침해적인 방식으로 모니터링 및 프로파일링하고 디버깅하기 위해 내장형 실시간 분석 및 진단(ERAD)이 사용됩니다. 하드웨어 모듈은 MCU 버스 아키텍처 내에 있는 확장된 버스 비교기 및 시스템 이벤트 카운터를 제공합니다(그림 4).

그림 4: ERAD는 인터럽트 생성을 위한 고급 버스 비교기 및 시스템 이벤트 카운터를 제공하고, MCU 버스 아키텍처 내에 있으며, 실시간 시스템을 비침해적인 방식으로 디버깅할 수 있습니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

ERAD는 시스템 수준 인터럽트 및 플래그를 독립적으로 생성하여 CLB와 같은 다른 주변 장치에 공급할 수 있습니다.

C2000 MCU를 사용하여 더 빠르게 FOC 엔진 제어 구현

벡터 제어를 사용하여 IPM-SynRM의 가변 토크 제어를 구현하려면 복잡합니다. 속도 및 부하 토크에 따라 알고리즘에서 두 회전 좌표계 사이의 오프셋 각도를 제어해야 합니다. 따라서 회전자는 위상 변이 제어를 통해 회전하는 고정자 자기장을 전기적으로 최대 ±90° 앞당기거나 늦춰서 RM과 PMSM 사이의 가변 작동을 가능하게 할 수 있습니다. TI의 모터 제어기 소프트웨어 개발 키트를 사용하면 복잡한 자속 밀도 및 회전자 토크 제어를 빠르게 구현할 수 있습니다.

수십년 간 결합된 전문 지식에 기반하는 이 소프트웨어에는 C2000 모터 제어기 평가 모듈(EVM) 및 TI 설계(TID)에서 실행되는 펌웨어가 포함되어 있습니다. 벡터 제어의 두 핵심 기능 라이브러리는 InstaSPIN-FOC(인코더 없는 FOC 모터 제어기) 및 DesignDRIVE(인코더가 필요한 FOC 모터 제어기)입니다.

InstaSPIN-FOC의 주요 특징:

• 센서리스 토크 또는 속도 FOC
• 회전자 예측을 위한 플럭스, 각도, 속도, 토크(FAST) 소프트웨어 관찰자
• 모터 파라미터 식별
• 관찰자 및 토크 제어 루프 자동 동조
• 저속의 높은 작동 범위 응용 분야를 위한 프리미엄 성능

FOC 제어 루프에는 적응형 FAST 알고리즘이라는 특수 기능이 있습니다. 이 기능은 위상 전압 및 전류로부터 자속 밀도, 전류각, 속도 및 토크를 자동으로 결정합니다(그림 5). 모터 파라미터 자동 식별 기능 덕분에 설계자는 새로운 모터를 빠르게 구동하고 자동 시스템을 활용하여 제어 루프를 미세 조정할 수 있습니다.

그림 5: FOC 제어 루프에는 자속 밀도, 전류각, 속도 및 토크를 자동으로 감지하는 적응형 FAST 알고리즘이라는 특수 기능이 있습니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

DesignDRIVE의 주요 특징:

• 감지 속도 또는 위치 FOC
• 위치 피드백: 리졸버, 증분식 인코더, 절대값 인코더
• 전류 감지 기술: 로우사이드 션트, 인라인 전류 샘플링, 시그마-델타 필터 복조
• 빠른 전류 루프(FCL): 하드웨어 리소스를 최대한 활용하여 시스템 샘플링, 처리 및 작동을 가속화함으로써 서보 제어 응용 분야의 주어진 PWM 주파수에서 최대 제어 대역폭을 실현하도록 최적화된 소프트웨어 라이브러리
• 실시간 연결 예

응용 예시 1: 단일 MCU 제어 트랙션 인버터 및 DC-DC 컨버터

자동차 제조업체는 시스템 비용과 복잡성을 줄이기 위해 세 개의 분산된 시스템 부품을 단일 섀시로 병합하고 MCU 수를 최소화하는 경향이 있습니다. 하지만 세 부품을 모두 관리하기 위해 실시간 제어 성능이 우수한 MCU가 필요합니다. 이 문제를 해결하기 위해 TI의 TIDM-02009 참조 설계에서는 단일 F28388DPTPS 실시간 MCU에 의해 제어되는 EV/HEV 트랙션 인버터 및 양방향 DC-DC 컨버터의 설계 조합을 보여 줍니다(그림 6).

그림 6: 제어 기판(왼쪽 하단)의 단일 C2000 MCU 카드로 트랙션 인버터(왼쪽 상단)와 DC-DC 컨버터(오른쪽)를 제어합니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

트랙션 인버터는 소프트웨어 기반 리졸버-디지털 컨버터(RDC)를 사용하여 모터를 최대 20,000rpm의 높은 속도로 구동합니다. 전력 스테이지는 TI UCC5870QDWJRQ1 지능형 게이트 구동기에 의해 구동되는 SiC FET를 기반으로 하는 Wolfspeed의 CCS050M12CM2 6방향 전력 모듈로 구성됩니다. 기울기 보정 기능이 비교기 서브 시스템(CMPSS)에 통합된 최신 PWM 모듈은 PCMC 파형을 생성합니다. 전압 감지 경로에서는 TI의 AMC1311QDWVRQ1 2V 입력 초고정밀 분리 증폭기를 사용하고, 전류 감지 경로에서는 TI의 AMC1302QDWVRQ1 ±50mV 입력 초고정밀 분리 증폭기를 사용합니다.

DC-DC 컨버터에서는 위상 변이 풀브리지 토폴로지(PSFB) 및 동기식 정류(SR)를 지원하는 피크 전류 모드 제어(PCMC) 기술을 사용합니다. 이 컨버터는 양방향성을 지원하여 DC 버스 커패시터를 미리 충전하므로 전류 제한 계전기 및 계열 저항기가 필요하지 않다는 이점이 있습니다. 통합된 TCAN4550RGYTQ1 컨트롤러 트랜시버 모듈은 CAN FD 기반 전파 방해 내성 통신을 제공합니다.

응용 예시 2: 효율적인 양방향 6.6kW AC-DC 컨버터

상대적으로 높은 출력을 위해 PMP22650은 6.6kW 전력을 처리하는 양방향 단상 AC-DC 컨버터를 위한 GaN FET 기반 참조 설계를 대표합니다. 충전기 OBC는 그리드의 전력으로 트랙션 배터리를 충전하고 DC 링크 커패시터를 미리 충전할 수 있습니다. 이 장치는 1차측의 240V AC(28A)을 2차측의 350V DC(19A)로 변환합니다.

단일 F28388DPTPS MCU가 120kHz 스위칭 주파수에서 작동되는 2상 토템폴 역률 보정(PFC) 링크와 풀브리지 CLLLC(C = 커패시터, L = 인덕터) 토폴로지를 제어한 후 동기식 정류를 수행합니다. CLLLC 컨버터는 출력 조정을 위해 주파수와 위상 변조를 모두 사용하며, 200kHz ~ 800kHz 사이의 가변 주파수로 작동합니다.

그림 7에서 정합 TMDSCNCD28388D 컨트롤러 카드(가운데)는 1차측 PFC 중간 회로(왼쪽)와 동기식 정류를 지원하는 2차측 풀브리지 CLLLC 컨버터(오른쪽)를 제어합니다. 이 설계에 대한 회로도는 그림 8을 참조하십시오.

그림 7: TMDSCNCD28388D 컨트롤러 카드(가운데)는 동기식 정류(오른쪽)를 통해 1차측 PFC 링크(왼쪽)와 2차측 풀브리지 CLLLC 컨버터를 제어합니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

새로 개발된 LMG3522R030-Q1 고속 GaN FET를 사용하여 최대 전력에서 최대 96% 효율성과 3.8kW/리터의 개방형 프레임 출력 밀도를 실현할 수 있습니다. 역률은 0.999이고 총 고조파 왜곡(THD)은 2% 미만입니다. LMG3522의 대안으로 600V 스위칭 전압과 30mΩ R_ds(ON)를 지원하는 자동차 인증 LMG3422R030RQZT GaN FET가 있습니다. 이 장치는 게이트 구동기, 과부하 보호 및 온도 모니터링을 통합합니다.

그림 8: 동기식 정류를 지원하는 2차측 풀브리지 CLLLC 컨버터(오른쪽)와 PFC 중간 회로(왼쪽)로 구성되는 OBC의 회로 토폴로지 (이미지 출처: Texas Instruments)

이 AC-DC 컨버터에는 공진 커패시터에서 전압을 에뮬레이션하여 제로 크로싱 왜곡을 획기적으로 줄이는 HHC라는 특수 기능이 있습니다. 테스트 결과 과도 응답이 향상되었으며 이 제어 루프 설계는 단일 루프 전압 제어보다 더 간단합니다.

광발전 인버터 예에서는 HHC가 전력 그리드에서 왜곡과 방출을 제거하여 제로 크로싱에서 브리지 스위칭 트랜지스터의 왜곡을 얼마나 효과적으로 줄이는지를 보여줍니다. 사인파 그리드 전압에서 3차 고조파의 높은 7.8% THD(그림 9, 오른쪽 상단)가 HHC를 사용하면 0.9%로 감소됩니다(그림 9, 오른쪽 하단).

그림 9: HHC는 제로 크로싱(왼쪽)에서 브리지 스위칭 트랜지스터의 왜곡을 획기적으로 줄여서 THD를 제거할 수 있습니다. 사인파 선간 전압에서 3차 고조파의 높은 7.8% THD(오른쪽 상단)가 HHC를 사용하면 0.9%로 감소됩니다(그림 오른쪽 하단). (이미지 출처: ietresearch.onlinelibrary.wiley.com)

이 6.6kW DC-DC 컨버터의 회로 설계는 TI의 TIDA-010062 참조 설계를 기반으로 하고, 앞서 언급한 C2000WARE-DIGITALPOWER-SDK는 해당 전력 컨버터 설계를 용이하게 합니다.

결론

Texas Instruments의 C2000 계열 실시간 MCU는 자동차 전력 전자 부품에서 거의 모든 제어 작업을 처리할 수 있습니다. 이러한 MCU 에코시스템을 적용하면 강력한 실시간 MCU를 사용하여 일반적으로 분산되는 시스템 전자 부품을 통합하고 공동으로 제어하여 시간 및 비용 효율적인 방식으로 시스템을 설계할 수 있습니다.

위에서 살펴본 바와 같이 지능형 GaN 및 SiC 전력 드라이버는 구현하기가 상대적으로 쉽습니다. 포괄적인 라이브러리 기능과 완벽히 문서화되고 사전 인증된 참조 설계를 활용하여 컨버터의 보다 효율적인 FOC 모터 제어 및 HHC 제어를 손쉽게 구현할 수 있습니다.