Other Parts Discussed in Post: UCC21732, UCC27712, DRV8329, DRV8962, MCT8329A, MCF8315A

이 글은 모터 제어 기술원고 시리즈의 세 번째 콘텐츠입니다. (1부/2부) (원문보기)

모터 드라이브 애플리케이션을 설계하는 경우, 모터 제어를 구현하기 위해 BJT(양극 접합부 트랜지스터)와 같은 여러 개별 구성품에 의존했을 가능성이 높다. 이 접근 방식은 일반적으로 비용이 덜 들지만 전체 구성품 수와 보드 공간 뿐만 아니라 설계 시간과 복잡성을 증가시킬 수 있다. 여러 구성품을 사용하면 시스템 신뢰성에도 영향을 미칠 수 있다.

애플리케이션이 점점 더 복잡해지고, 고성능화되고, 소형화됨에 따라 통합이 중요해진다. 통합 솔루션은 설계 시간을 단축하고 조달 복잡성과 비용을 줄이는 동시에 신뢰할 수 있고 효율적인 모터 시스템을 보장할 수 있다.

이 기고문에서 개별 옵션에서 완전 통합 옵션에 이르기까지 다양한 모터 제어 구현을 비교하여 설계에 적합한 접근 방식을 찾을 수 있도록 지원하겠다. 1에서는 각 모터 제어 옵션의 통합 수준을 비교한다.

 

제어

드라이버

FET

개별 BJT

 

 

 

게이트-드라이버 통합 회로(IC)

 

 

모터 드라이버 IC

 

통합 제어 게이트 드라이버 IC

 

통합 제어, 게이트 드라이버 및 전계 효과 트랜지스터(FET) IC

1: 모터 구동을 위한 통합 수준

모터 제어에 대한 개별 접근 방식

그림 1은 모터 상태에 대한 피드백을 처리하고 신호를 전송하여 모터의 토크, 위치 및 속도를 조절하는 마이크로컨트롤러(MCU)와 같은 제어부 장치를 보여준다. 게이트 드라이버는 MCU의 신호를 증폭하여 모터용 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)를 구동한다.


그림 1: 기본 모터 제어 블록 다이어그램

그림 2와 같이 BJT 토템-/푸시-풀 회로를 게이트 구동 회로로 사용하여 단일 MOSFET를 구동할 수 있다. BJT 토템 폴 회로는 저렴하고 구현이 쉽지만 구성품 수가 많고 보드 공간을 많이 차지한다. 또한 모터를 구동하기 위해 여러 개의 MOSFET이 필요하기 때문에 이 개별 회로를 복제해야 하며, 이로 인해 필요한 구성품 수와 보드 공간이 배가된다.


그림 2: 개별 BJT 토템-/푸시-회로가 있는 게이트-드라이버 블록 구현

최초의 통합 옵션: 게이트-드라이버 IC

기본 게이트 드라이버 IC는 토템 폴의 기능을 단일 패키지로 통합한다. 최근 공정 기술 혁신으로 인해 게이트 드라이버 IC는 이산 기반 BJT만큼 저렴해졌다.

게이트 드라이버 IC를 선택할 때는 그림 3과 같이 채널 수와 모터의 전력 수준에 가장 적합한 전압 및 전류 기능과 같은 몇 가지 고려 사항이 있다.

통합 게이트 드라이버 IC는 다음을 포함한다.

  • TI UCC21732와 같은 1채널 게이트 드라이버는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT) 및 실리콘 카바이드(SiC)와 같은 고압측 및 저압측 고전압(>700V) 전원 스위치를 구동하는 AC 모터에서 일반적으로 볼 수 있다.
  • IGBT MOSFET을 구동하기 위한 100~700V 모터용 UCC27712와 같은 2채널 하프 브리지 게이트 드라이버의 경우
  • 4채널 H 브리지 드라이버와 DRV8329와 같은 6채널 3상 모터 게이트 드라이버가 있으며, 저전압 MOSFET(<60V) DC 모터용으로 설계되었다

모터의 전력 수준이 변경되면 게이트 드라이버를 사용하여 새로운 전압 및 전류 수준을 수용하도록 외부 FET만 변경하면서 이전 설계를 유지할 수 있다.


그림 3: 외부 FET구동하는 게이트-드라이버 IC유형

게이트 드라이버는 상호 전도를 방지하기 위한 저전압 잠금 및 인터록 보호와 같은 기본 기능에서 회전율 제어 및 자동 데드 타임을 위한 스마트 게이트 드라이브와 같은 고급 기능에 이르기까지 다양하다.

애플리케이션 노트 "스마트 게이트 드라이브 이해" : 게이트 드라이버에 대해 자세히 알아보기

외부 구성품은 전통적으로 회전율을 설정한다. MOSFET의 게이트로 전류를 제한하는 소스 및 싱크 저항 2, 상승 및 하강 속도를 개별적으로 조정하는 다이오드 1, 풀다운 저항 1개이다. 스마트 게이트 드라이브는 이러한 구성품을 제거하는 동시에 직렬 주변기기 인터페이스를 통해 회전율을 유연하게 조정할 수 있다.

스마트 게이트 드라이브와 함께 6채널 드라이버를 사용하면 최대 24개의 개별 구성품이 제거되어 보드 공간과 BOM(재료 사양서) 수가 절약된다. 게이트 드라이버에 통합된 기타 보호 및 진단 기능에는 전류 감지, 과전류 및 과열 보호, 고장 감지 및 절연 기능이 포함되어 있어 구성품 수를 더욱 줄일 수 있다.

번째 통합 옵션: 모터 드라이버 IC

게이트 드라이버와 통합 FET를 포함하는 모터 드라이버 IC는 그림 4와 같이 저전력 모터 시스템(<70W)에 적합하다. 모터 드라이버 IC는 게이트 드라이버보다 설치 공간이 작다. FET 전력계를 통합하면 설계 회로도 및 레이아웃이 단순해진다. 게이트 드라이버 IC와 마찬가지로 DRV8962와 같은 모터 드라이버 IC도 보호 및 진단 기능을 통합한다.


그림 4: FET통합된 H 브리지 3모터 드라이버

모터 구동 솔루션을 선택할 때는 내부 FET RDS(ON)와 피크 전류 및 루트 평균 제곱 전류를 고려해야 합니다. 또한 내부 FET의 전력 손실로 인해 열 계산을 수행해야 한다.

번째 통합 옵션: 통합 제어 게이트 드라이버 IC

처음 두 옵션과 달리 MCT8329A와 같은 통합 제어 게이트 드라이버 IC에는 모터 제어를 위한 MCU가 필요하지 않다. 이러한 IC는 그림 5와 같이 MCU의 도움 없이 제어 알고리즘을 통합하면서도 보호 및 진단을 제공하는 게이트 드라이버 기능을 갖추고 있다.

사다리꼴, 사인파 또는 자속 기준 제어에 관계없이 모터 정류 알고리즘의 구현은 복잡할 수 있다. 통합 제어 게이트 드라이버 IC는 내부적으로 정류 알고리즘을 처리하는 코드 없는 솔루션을 제공하므로 설계 시간을 단축하고 코딩, 디버깅 및 테스트 복잡성을 간소화할 수 있다.


그림 5: 통합 제어 3게이트 드라이버

통합 제어 게이트-드라이버 IC는 또한 센서드 또는 센서리스 제어로 모터 정류를 구현할 때 유연성을 제공한다. 센서드 접근 방식을 통해 외부 홀 효과 센서를 사용하여 로터 위치를 감지할 수 있다. 이러한 IC는 홀 효과 센서 입력을 수신하고 모터 제어 알고리즘을 활용하여 모터를 효율적이고 조용하게 구동할 수 있다. 이와 대조적으로 센서리스 구현은 외부 홀 효과 센서를 제거하여 보드 공간과 BOM을 줄인다. 센서리스 통합 제어 게이트 드라이버 IC는 통합 전류 감지를 통해 역기전력(후면 EMF) 힘 전압을 측정하고 내부적으로 모터 위치를 계산한다.

번째 통합 옵션: 통합된 제어, 게이트 드라이버 FET IC

최종 통합 옵션은 그림 6과 같이 "완전 통합"이라고도 한다. MCF8315A와 같은 통합 제어, 게이트 드라이버 및 FET IC는 코드 없는 제어 기능, 보호 및 진단 기능을 갖춘 드라이버 및 FET를 단일 칩에 통합함으로써 보드 공간을 가장 적게 차지하고 BOM이 가장 낮다. 모터 구동 IC 옵션과 마찬가지로 통합 제어, 게이트 드라이버 및 FET IC 솔루션은 내부 FET의 기능에 의해 제한되므로 전류 및 열 계산이 필요하다.


그림 6: 완전 통합 모터 컨트롤 + 드라이버 + FET

마무리

모터의 전력 수준 요구 사항을 충족하기 위해 통합된 다양한 수준의 IC가 있을 뿐만 아니라, 이러한 IC는 설계 시간, 비용 및 복잡성을 단순화할 수 있다. 통합 장치는 또한 가전 제품의 가청 소음 및 공장 자동화 및 로봇 공학의 정밀 제어와 같은 과제를 해결할 수 있다.

추가 리소스:

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