안정적인 산업용 모터 제어기 보호 기능이 내장된 고전류 IGBT 구동기 사용

산업 제어 응용 분야에서 비용을 절감하고 에너지 소비를 줄이기 위해 지속적으로 노력 중인 설계자들은 고주파 고전류 브러시리스 직류(BLDC) 모터로 전환하고 있습니다. 그 과정에서 스위칭 속도를 개선하여 출력 밀도를 높이기 위해 금속 산화 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET) 대신, 더 빠른 절연 게이트 양극 트랜지스터(IGBT) 사용이 증가하고 있습니다. 하지만 효율적이고 안전한 작동을 위해 설계자는 BLDC 모터 제어기 출력과 IGBT 전력 트랜지스터 사이에 버퍼 회로망을 포함해야 합니다.

양극 접합 트랜지스터(BJT) “토템폴” 회로로 구성되는 이산 소자 회로망이 이 버퍼링 역할을 수행할 수 있지만, 그런 솔루션은 일반적으로 과도 고전압 및 고전류에 대한 보호 성능이 부족합니다. 또한 디지털 컨트롤러의 저전압 출력을 IGBT를 적절히 구동하는 데 필요한 고전압 및 고전류로 레벨을 조정할 수 없습니다. 또한 이 회로망을 추가하려면 복잡하고 설계 공정이 느려지고 공간을 차지할 뿐 아니라 부품 명세서(BOM)에도 추가됩니다.

이러한 문제를 해결하기 위해 BLDC 모터 응용 분야를 위한 차세대 통합 고주파 게이트 드라이버는 IGBT를 구동하는 데 필요한 버퍼와 부스트 회로망을 결합하고 보호 회로망을 통합합니다. 효율 강화 기능과 함께 이러한 장치는 일부 주변 장치가 필요하고 작동 온도가 낮아야 합니다. 적은 실장 면적으로 인해 고주파 모터의 출력 밀도가 증가하고 공간이 절약됩니다.

이 기사에서는 현대 산업용 전기 모터 응용 분야에서 고전류 IGBT 구동기의 역할을 설명하여 구동기의 기본 사항을 간략하게 살펴봅니다. 그런 다음 비용과 복잡도를 최소화하면서 보호 성능과 효율을 최대화하기 위해 산업용 장치에서 살펴보아야 할 사항을 설명합니다. 그 과정에서 ROHM Semiconductor, Texas Instruments 및 ON Semiconductor의 샘플 구동기를 소개하고 모터 설계에 구동기를 효과적으로 통합하는 방법을 설명합니다.

BLDC 모터 구동기 기본 사항

전기 모터의 일반적인 유형은 제어된 순서(정류)로 권선에 동력을 공급하여 생성되는 회전 자기장에 의해 로터 운동이 유도되는 3상 DC 유형입니다. 회전자 속도는 모터의 작동 주파수에 비례합니다. 펄스 폭 변조(PWM)가 기본 작동 주파수에서 중첩되어 시동 전류, 토크 및 전력을 제어합니다.

고주파 작동은 몇 가지 고유한 이점을 제공합니다. 예를 들어 전류 리플(정류 후 교류(AC) 입력 아티팩트)이 감소하어 필터링하는 데 필요한 수동 소자 부품의 크기와 비용이 감소합니다. 또한 고주파 작동은 모터 코일에 대한 완벽하지 않은 사인파 입력으로 인해 발생할 수 있는 고르지 않은 기전력(EMF)을 축소하여 모터 진동과 마모를 줄여줍니다. 일반적으로 고주파 스위칭은 출력 밀도를 높여서 주어진 출력 전력에 물리적으로 더 작은 모터를 사용할 수 있습니다.

차이는 있겠지만 고주파 작동을 위한 일반적인 폐쇄형 루프 제어 시스템은 다음과 같이 구성됩니다.

• 속도 제어 입력: 구동기에 적절한 PWM을 생성하여 모터 정류를 감시하는 컨트롤러
• 로우사이드 및 하이사이드 전력 트랜지스터를 전환하는 구동기
• 전력 트랜지스터: 하프 H 브리지 토폴로지에서 모터 코일에 동력 공급

센서 제어 BLDC 모터에서 제어 루프는 모터의 회전 샤프트를 모니터링하는 홀 효과 센서의 피드백을 통해 닫힙니다(그림 1). 무센서 모델은 백 EMF(BEMF)에서 모터 위치를 계산합니다. 센서 및 무센서 3상 BLDC 모터를 위한 완전 폐쇄 루프 제어 시스템을 설계하는 자세한 방법은 DigiKey 기사 브러시리스 DC 모터에 전원을 공급하고 제어하는 방법, 3상 브러시리스 DC 모터를 유동 제어하는 이유와 방법 및 백 EMF를 통해 무센서 BLDC 모터 제어를 참조하십시오.

그림 1: 컨트롤러, 구동기, 전력 트랜지스터 하프 H 브리지로 구성되는 3상 BLDC 모터를 위한 일반적인 폐쇄 루프 제어 시스템 무센서 시스템도 널리 사용되지만, 이 제어 시스템에서는 피드백 회로용 홀 효과 센서를 사용합니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

구동기는 BLDC 모터 제어기 설계의 주요 부품입니다. 구동기는 BLDC 모터 제어기의 저전력 입력을 받아서 하프 H 브리지의 하이사이드 및 로우사이드 전력 IGBT 게이트를 위한 고전류 구동 입력을 생성하는 전력 증폭기입니다. 그렇지만 최신 버전의 고주파 작동용 구동기는 고집적 장치이며 훨씬 더 많은 기능을 수행할 수 있습니다.

통합 IGBT 구동기의 이점

이산 소자 부품으로부터 IGBT 구동기를 구축할 수 있습니다. 아래 그림은 전력 트랜지스터를 구동하도록 설계된 양극 접합 트랜지스터(BJT) “토템폴” 회로입니다(그림 2). 여기서는 전통적인 MOSFET이 사용되지만 구성은 IGBT에 적합합니다.

그림 2: 이산 소자 BJT 토템폴 MOSFET 구동기는 잘 작동하지만 전압을 역변환하고, 슛스루를 발생하고, 보호 성능이 부족합니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

출력 시 역변환 전압과 게이트 과도 전압 중 슛스루는 이 회로의 두 가지 주요 단점입니다. 또한 전원을 켜고 끌 때(BJT 구동 공급이 전체 작동 전압에 도달하기 이전) IGBT가 고전압과 고전류를 조합할 수 있습니다. 그러면 내전력이 증가하고 과열 및 영구 손상이 발생할 수 있습니다. 설계자가 산업용 BLDC 모터에 요구되는 안전 표준을 준수하는 데 필요한 보호 회로를 추가할 수 있지만, 설계가 까다롭고 추가 부품으로 인해 비용, 복잡도, 크기가 증가합니다.

이산 소자 BJT 토템폴 회로의 다른 문제로는 레벨 조정 결함이 있습니다. 이제 디지털 전력 제어기가 BLDC 모터 제어기를 주도하지만 저전류/저전압 출력만 제공합니다. 예를 들어, 디지털 제어기의 PWM 신호인 3.3V 논리 신호로는 IGBT를 효과적으로 켤 수 없습니다. 레벨 조정을 위해서는 제어기의 저전류/전압 PWM 신호를 IGBT를 작동하는 데 필요한 고전류/전압 PWM 신호(일반적으로 9V ~ 12V)로 높여야 합니다.

설계 복잡도 감소, 개발 시간 단축, 작은 크기 등과 같은 분명한 이점 외에도 통합 고전류 IGBT 구동기는 이산 소자 솔루션의 모든 문제를 해결합니다. 또한 이 장치는 제어기의 내전력과 열응력을 줄이는 동시에 고전류 구동기를 전원 스위치에 가깝게 배치하여 고주파 스위칭 잡음 효과를 최소화합니다.

예를 들어, ROHM Semiconductor의 BM60212FV-CE2 통합 게이트 드라이버와 같은 솔루션은 하이사이드 및 로우사이드 IGBT 쌍을 구동하는 데 적합합니다. 이 장치는 3.3V 또는 5V 제어기 논리 신호와 호환되며 최대 1200V의 하이사이드 부동 공급 전압과 24V 최대 게이트 드라이브 전압을 제공합니다. 최대 켜기/끄기 시간은 75ns입니다. 최대 출력 전류는 4.5A(1µs 동안 5A 피크 적용)입니다.

내장된 보호

차세대 IGBT 구동기(예: BM60212FV-CE2)는 내장된 보호 회로, 저전압 차단(UVLO) 및 불포화 보호(DESAT)를 포함합니다.

UVLO는 스위치를 켤 때 과열 및 손상을 방지하는 데 유용합니다. 전원을 켤 때 게이트 전압(MOSFET의 경우 V_GS, IGBT의 경우 V_GE)이 너무 낮을 경우 트랜지스터가 포화 영역에 빠르게 진입하여 전도 손실과 내전력이 증가할 위험이 있습니다. 이 효과를 나타내는 그림은 V_GS 값이 전력 트랜지스터에 미치는 영향을 보여줍니다(그림 3). 또한 MOSFET은 그림의 목적으로 사용되지만 비슷한 특성이 IGBT에 적용됩니다. 빨간색 곡선의 오른쪽은 포화 영역이며, 일정한 드레인-소스 전류(또는 IGBT의 경우 수집기-방출기 전류)에 의해 정의되고 V_GS에 종속되고 드레인-소스 전압(V_DS)에 독립적입니다.

그림 3: 전원이 완전히 켜지기 전에 MOSFET 또는 IGBT가 빨간색 선의 오른쪽에 있는 포화 영역에 진입할 경우 손실이 증가합니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

솔루션은 전원 공급 장치가 충분한 전압 레벨에 도달하여 MOSFET 또는 IGBT가 빠르게 켜지고 과도한 내전력이 방지될 때까지 전압이 게이트에 적용되지 않도록 UVLO를 통합하는 것입니다. 예를 들어, Texas Instruments의 UCC27512MDRSTEP IGBT (및 MOSFET) 게이트 드라이버는 전원 공급 장치가 설계자가 지정한 UVLO 임계값에 도달하지 않을 때 구동기의 출력을 접지하는 UVLO 메커니즘을 포함합니다(그림 4). UCC27512MDRSTEP은 8A의 피크 싱크 전류를 제공하는 로우사이드 게이트 드라이버입니다.

그림 4: IGBT 구동기(예: TI의 UCC27512MDRSTEP)는 전원 공급 장치가 임계값에 도달할 때까지 구동기가 IGBT 스위칭을 시작하지 않도록 UVLO를 포함합니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

ON Semiconductor의 NCV5702DR2G는 DESAT 기능을 지원하는 일반적인 IGBT 구동기입니다. 이 보호 회로는 IGBT의 수집기-방출기 전압(V_CE)을 레퍼런스 전압과 비교합니다. 더 높을 경우 IGBT 구동기는 출력을 중단하여 전력 트랜지스터를 보호합니다.

NCV5702DR2G는 모터 구동 응용 분야에서 IGBT의 하이사이드 및 로우사이드 쌍을 구동하도록 설계된 고전류 IGBT 구동기입니다. 이 장치는 -0.3V ~ 5.5V 입력에서 최대 22V 출력을 제공할 수 있습니다. 피크 싱크 전류는 6.8A(13V 출력)이고, 피크 소스 전류는 7.8A(-5V 출력 전압)입니다.

장치가 완전히 켜지면 NCV5702DR2G는 IGBT의 V_CE를 모니터링합니다. 최신 IGBT의 경우 정상 작동 상태에서 V_CE가 약 3V입니다. V_CE가 눈에 띄게 높아질 경우 과전류 또는 유사한 응력 이벤트를 나타내며 IGBT가 손상될 수 있습니다.

일반적으로 시작할 때 잠깐 동안 V_CE가 높아지므로(약 1µs 후에 낮은 레벨로 설정됨) DESAT 보호가 너무 일찍 작동되지 않도록 커패시터 C_BLANK에 의해 설정되는 "블랭킹 시간"만큼 레퍼런스 전압과 비교가 지연됩니다(그림 5).

그림 5: V_CE가 레퍼런스 전압 V_DESAT-THR 이상으로 증가하면 ON Semiconductor NCV5702DR2G IGBT 구동기의 DESAT 보호 회로가 IGBT에 대한 출력을 끕니다. C_BLANK는 IGBT가 완전히 켜질 때까지 DESAT 보호가 발생하지 않도록 시간 지연을 설정합니다. 참고: ON Semiconductor에서는 NCD570x를 규격서에서 참조용으로 사용합니다. (이미지 출처: ON Semiconductor)

보호 회로망 외에도 통합 IGBT 구동기는 일반적으로 효율을 강화하는 기능을 포함하므로 이산 소자 부품으로 구성된 구동기에 탁월한 성능을 제공합니다.

효율 극대화

BLDC 모터 출력 밀도는 부분적으로 효율에 의해 결정되며, 내전력이 큰 BLDC는 더 큰 방열판과 더 큰 솔루션을 비롯하여 우수한 열 관리가 필요합니다.

트랜지스터 스위칭 중에 생성되는 손실은 정적 손실 또는 동적 손실로 분류됩니다. 정적 손실은 장치의 기생 저항과 같은 파라미터에 의해 생성되며, 동적 스위칭 손실은 부분적으로 기생 정전 용량에 의해 발생합니다.

스위칭 중에 트랜지스터의 내전력은 공급 전압, 게이트 전하(Q_G) 및 스위칭 주파수에 비례합니다. 지정된 공급 전압에서 효율의 훼손이 없을 경우 스위칭 주파수가 증가하여 출력 밀도가 높아지는 만큼 Q_G가 감소해야 합니다.

IGBT의 Q_G에 기여하는 주요 요인은 기생 정전 용량이고 그 주된 부분은 밀러 정전 용량입니다. 밀러 효과는 3극 진공관 밸브에서 처음으로 확인되었지만 최신 트랜지스터에도 영향을 주며, 스위칭 주기의 위상 중에 입력 단자와 출력 단자 사이의 증폭 정전 용량으로 인해 전체 입력 정전 용량이 증가하게 됩니다. Q_G 증가 외에도 고주파에서 트랜지스터의 이득을 제한하는 주요 요인입니다.

트랜지스터가 밀러 플라토 영역에서 작동할 때 밀러 정전 용량이 가장 큽니다. 이 영역에서는 게이트 전압이 일정하게(일반적으로 약 10V) 유지되고 IGBT가 켜지는지 꺼지는지 여부에 따라 게이트 구동 전류가 충전되거나 방전됩니다. 밀러 플라토에서 높은 구동 전류를 제공하도록 구동기를 구성할 수 있는 경우 위상 기간을 크게 단축하고 스위칭 손실을 줄일 수 있습니다.

밀러 플라토에서 높은 전류를 제공하여 IGBT 구동기(예: ON Semiconductor NCV5702DR2G 및 ROHM Semiconductor BM60212FV-CE2)는 밀러 플라토를 단축하고 스위칭이 강력하게 제어되도록 보장합니다. 특히, 고전류 구동은 IGBT 스위칭 중에 켜기 에너지(E_ON)를 줄여서 내전력을 제한할 수 있습니다. 또한 IGBT 구동기의 저임피던스 내부 FET에 의해 생성되는 높은 IGBT 구동기 전류는 높은 스위칭 주파수에서도 구동 회로의 내전력이 외부 계열 저항기를 통과하여 열의 관점에서 관리 가능하도록 보장합니다.

또한 밀러 효과로 인해 로우사이드 IGBT 스위칭 손실이 커질 수 있습니다. 하이사이드 IGBT를 켜면 전원 끄기 로우사이드 IGBT 수집기에서 전압 서지(dv/dt)를 일으키는 문제가 발생합니다. 전압 서지는 밀러 정전 용량을 통해 밀러 전류를 로우사이드 IGBT의 게이트 정전 용량으로 유도합니다(그림 6(a)). 게이트에서 접지까지 경로(GND)에 게이트 저항기 R_G에 의해 발생되는 임계 임피던스가 있는 경우 밀러 전류는 게이트 전압을 임계 레벨 위로 높이고 로우사이드 IGBT를 수십 나노초 또는 수백 나노초 동안 켜서 스위칭 손실이 켜질 수 있습니다. 이 상황을 방지하는 한 가지 방법은 음수 게이트 전압을 구현하는 것이지만, 이렇게 하려면 두 번째 DC 소스가 필요하다는 단점이 있습니다.

대안은 게이트에서 GND까지 저임피던스 경로를 제공하는 것입니다. NCV5702DR2G 및 BM60212FV-CE2와 같은 구동기는 IGBT 게이트에서 게이트 드라이버의 클램프 핀까지 트레이스를 추가하여 이러한 유형의 보호를 구현하는 “활성 밀러 클램프 보호”를 제공합니다. 전압 출력(V_O)이 활성 밀러 클램프 임계값(V_MC-THR) 아래로 떨어지면 클램프 핀이 GND에서 단락되어 IGBT의 게이트 전압이 임계 전압 위로 상승하고 로우사이드 IGBT를 스위칭하는 것을 방지합니다(그림 6(b)). 클램프 핀은 게이트 드라이버 입력에서 IGBT 켜기 신호가 수신되는 즉시 GND에서 분리됩니다. 클램프 핀은 게이트 전압이 V_MC-THR 임계값 이하로 떨어진 이후에만 결합하므로 이 핀의 기능이 사용자가 선택한 R_G를 통해 정상적으로 제어 가능한 끄기 스위칭 성능과 간섭하지 않습니다.

그림 6: 하이사이드 IGBT로 인해 전원 끄기 로우사이드 IGBT에서 전압 서지가 발생하면 밀러 효과로 인해 로우사이드 IGBT의 손실이 커질 수 있습니다. 서지는 정전 용량을 통해 밀러 전류를 로우사이드 IGBT의 게이트 정전 용량으로 유도합니다. 솔루션(b)은 클램프 핀을 GND에서 단락시켜 로우사이드 IGBT가 켜질 정도로 전압이 상승하는 것을 방지하는 것입니다. (이미지 출처: ON Semiconductor)

IGBT 구동기의 설계 고려 사항

고성능 통합 IGBT 구동기에도 불구하고 BLDC 모터 제어기의 반갑지 않은 전압 급증, 링잉, 잘못된 켜짐 등을 방지하려면 해결해야 할 몇 가지 문제가 있습니다. 이러한 문제는 일반적으로 잘못된 전원 공급 장치 바이패스, 잘못된 레이아웃, 일치하지 않는 구동기 및 전력 트랜지스터로 인해 발생합니다.

예를 들어, IGBT를 켜고 끌 때 큰 정전 용량 부하 충전 또는 방전이 발생합니다(예: 50ns 동안 0V ~ 15V 이내 전압에서 10,000pF). 이 작업을 수행하는 데 필요한 전류는 3A(I = dV x (C/dt))입니다. 이 예에서 구동기의 전류 출력은 전압 스윙 및/또는 부하 정전 용량과 정비례하고 상승 시간과 반비례합니다. 실제 상황에서 충전 전류는 일정하지 않지만 최대 약 4.7A이므로 구동기의 오버헤드는 이 피크와 일치해야 합니다. 4.5A 출력과 5A 피크 전류를 제공하는 ROHM Semiconductor BM60212FV-CE2와 같은 장치는 이 응용 분야에 적합한 옵션입니다.

피크 전류 값 이외에 설계자는 IGBT 구동기가 단 50ns 동안 전원 공급 장치에서 이 전류를 소싱해야 한다는 사실을 기억해야 합니다. 이 빠른 전류 소모를 지원하는 한 가지 기술은 병렬 바이패스 커패시터 쌍(값이 부하 정전 용량 값의 최소 10배이고 보완 임피던스 곡선을 가짐)을 IGBT의 구동기 양수 바이어스 공급(V_CC) 핀에 매우 가깝게 추가하는 것입니다. 이러한 커패시터는 최소 등가 직렬 저항(ESR) 및 등가 직렬 유도 용량(ESL)을 갖고 리드 길이를 최소화해야 합니다.

IGBT 구동기는 전류가 접지로 복귀하기 위한 매우 낮은 임피던스 경로가 필요합니다. 일반 토폴로지에는 접지로 전류 복귀를 위한 세 가지 경로가 있습니다.

• IGBT 구동기와 컨트롤러 사이
• 구동기와 자체 전원 공급 장치 사이
• 구동기와 구동 중인 IGBT 발생기 사이

유도 용량과 저항을 줄이기 위해 각 경로는 최대한 짧고 넓어야 합니다. 특히, 부하의 접지 전류가 컨트롤러-구동기 인터페이스에 영향을 주지 않도록 접지 경로를 분리해야 합니다. 전략적으로 pc 기판의 한 구리 평면을 접지로만 사용하고 회로의 모든 접지점이 동일한 물리적 지점으로 복귀하여 차동 접지 전위가 발생하지 않도록 하는 것이 좋습니다.

고주파 스위칭에 필요한 빠른 상승 및 하강 시간을 실현하려면 전류가 흐르는 컨덕터를 최소 길이로 유지해야 합니다. 1cm 길이마다 약 8nH의 유도 용량이 추가되므로 95A/µs의 di/dt는 1cm 전선 길이당 1.9V의 과도 L(dI/dt) 전압을 생성합니다. 이 값은 구동기의 출력에서 차감됩니다. 실제 효과는 IGBT 구동기 출력에서 IGBT 게이트까지 컨덕터 길이가 증가할 때마다 상승 시간이 증가합니다. 예를 들어, 컨덕터 길이가 1cm 추가되면 상승 시간이 8ns ~ 28ns 증가할 수 있습니다. 컨덕터 길이가 길어질 때의 다른 결정적인 효과는 빠른 스위칭으로 인해 전자파 장해(EMI)가 커질 수 있습니다.

마지막으로 IGBT 구동기의 유도 용량은 IGBT 발생기와 연속하고 스위칭 시간을 증가시키는 피드백을 생성하므로 이 유도 용량 값이 낮을수록 스위칭 성능이 더 우수합니다. 하이사이드 및 로우사이드 전력 트랜지스터 쌍을 스위칭하는 IGBT 구동기에 일반적인 응용 회로가 그림 7에 나와 있습니다.

그림 7: UVLO 및 밀러 클램핑을 지원하는 고전류 통합 IGBT/MOSFET 구동기(이 경우 ROHM Semiconductor BM60212FV-CE2)에 일반적인 응용 회로 (이미지 출처: ROHM Semiconductor)

결론

산업용 BLDC 모터의 고출력 밀도 요구 사항으로 인해 기존 이산 소자 MOSFET 부품 솔루션으로는 충족하기 어려운 제어 전자기기 수요가 발생합니다. IGBT 구동기는 고전력 밀도 BLDC 모터에서 IGBT를 구동하는 데 필요한 고주파 고전류 작동을 위한 솔루션을 제공합니다. 이러한 장치가 진화하면서 집적도가 높아지고 간편해지는 동시에 전력 트랜지스터를 보호하고, 효율을 개선하고, 공간을 절약하는 기능이 추가되고 있습니다.

그림과 같이 이러한 IGBT 구동기를 최대한 활용하려면 설계자는 구동기와 주변 장치 부품을 IGBT의 주파수 및 전력 전류 수요에 맞게 조정하고 pc 기판 레이아웃에 주의해야 합니다.

참고 자료

1. Fundamentals of MOSFET and IGBT Gate Driver Circuits, Laszlo Balogh, Texas Instruments, 2017년 3월.
2. Low-side gate drivers with UVLO vs BJT totem-pole, Mamadou Diallo, Texas Instruments, 2018년 2월.