무선 전동공구의 전력 손실을 20% 낮추는 방법

  • 글| Elvir Kahrimanovic, 인피니언 테크놀로지스
  • 2016-06-21 오전 11:04:32

전동공구의 성능을 향상시키기 위해서는 BLDC 모터로 더 우수한 모터 역학과 더 높은 출력 토크가 요구된다. 모터 토크는 모터 전류에 비례하므로 이러한 요구를 충족하기 위해서는 전원부가 그만한 전류를 공급할 수 있어야 한다.

최근 몇 년 사이 전동공구 제조업체들은 무선(cordless) 전동공구의 출력 전력과 성능을 계속해서 높이고 있다. 기존에는 브러시드 DC 모터를 주로 사용했으나, 최근에는 MOSFET 기술이 발전함에 따라서 브러시리스 DC(BLDC) 모터를 사용하는 것이 가능하게 됐다.

전동공구의 성능을 향상시키기 위해서는 BLDC 모터로 더 우수한 모터 역학과 더 높은 출력 토크가 요구된다. 모터의 토크는 모터 전류에 비례하므로 이러한 요구를 충족하기 위해서는 전원부가 그만한 전류를 공급할 수 있어야 한다.

BLDC 모터의 비용 최적화

브러시드 모터에 대해서 BLDC 모터의 이점은 더 높은 출력 전력 밀도와 우수한 성능을 가능하게 하고 유지보수가 필요 없다는 것이다. 하지만 이러한 장점이 있는 반면에 비용이 상승한다는 단점이 있다. 그러므로 저가격대 브러시드 DC 모터 솔루션과 경쟁할 수 있으려면 BLDC 모터가 그러한 가격 차이를 줄일 수 있도록 비용과 크기를 최적화해야 한다.

BLDC 모터 기술을 채택한 무선 전동공구 업체들이 낮은 비용과 크기로 최적화한 솔루션을 구현하기가 결코 쉽지만은 않은 과제이다. 예를 들어, 모터에 필요로 하는 MOSFET에 있어서는, 큰 크기가 가능하고 SMD 패키지에 비해 열 성능이 뛰어나다는 점에서 TO-220패키지를 선호해 왔다. 그런데 소형화를 위해서 SMD MOSFET을 사용하자면 더 효율적이며 히트 싱크를 최대한 활용할 수 있도록 해야 한다. 표면실장 MOSFET을 냉각하는 문제가 SMD 소자를 사용하기 위한 가장 까다로운 과제라고 할 수 있다.

인피니언 테크놀로지스의 BSC010N04LSI는 쇼트키와 유사한 방식의 다이오드를통합한 40V/1mΩ SuperSO8 패키지 제품으로써 동급 최상의 성능을 제공하며 효과적인 냉각기법을 결합함으로써 TO-220에서 SMD 패키지로 전환을 가능하게 한다. 그럼으로써 비용을 낮추고, 인버터 전력 밀도를 높이고, 공구의 성능을 향상시킬 수 있다.

 

 

블록 정류를 사용하는 BLDC 모터 애플리케이션에서는 MOSFET의 RDS(ON)뿐만 아니라 바디 다이오드 또한 전반적인 전력 손실을 크게 낮출 수 있는 요소이다. BSC010N04LSI의 낮은 바디 다이오드 순방향 전압 강하는 전반적인 전력 손실을 낮출 수 있도록 한다.

BLDC 모터를 사용하는 통상적인 18V 무선 전동공구에서는 순간적인 200A 이상의 위상 전류 버스트가 발생 할 수 있다. 그러므로 RDS(ON)이 지극히 낮고 견고한 다이오드만이 이와 같은 높은 피크 전류를 견딜 수 있다. 회로 동작을 설명하기 위해서 그림 1에서는 3위상 BLDC 모터의 위상 전류를 보여준다.

이 스위칭 패턴을 보면 MOSFET 바디 다이오드의 전도 부분(빨간색 삼각형)이 어디인지를 알 수 있다. 꺽쇠괄호로 표시된 것은 다이오드 전도 시간(빨간색)과 MOSFET 전도 시간(녹색)이다.

1kW에 이르는 높은 출력 전력일 때는 다이오드 전도 시간이 수백 마이크로초에 달할 수 있다. 이와 같이 긴 전도 시간 때문에 다이오드 전력 손실이 상당한 수준에 달할 수 있으며, 유사 쇼트키 다이오드의 경우에는 VSD를 낮춤으로써 이 손실을 줄일 수 있다.
다음 공식을 사용해서 전도 전력 손실을 계산할 수 있다.

 

다이오드 전도 손실

 

MOSFET 전도 손실

순간 다이오드 전류 IS = 50A이고, 다이오드 정격 순방향 전압 강하가 표준 다이오드는 VSD = 1V이고, 쇼트키 유사 다이오드는 VSD = 0.6V라고 하자.

그러면 다음과 같이 계산할 수 있다:

 

표준적 바디 다이오드

 

쇼트키 유사 다이오드

 

MOSFET 채널


위의 계산에서 표준적 바디 다이오드의 순간적 다이오드 손실이 MOSFET 채널일 때보다 훨씬 더 높으며, 전도 시간이 길어질수록 전반적인 전력 손실을 크게 높일 것이라는 것을 알 수 있다.

그러므로 VSD를 낮춤으로써 다이오드 전도 손실을 낮출 수 있다.

그림 1에서 보는 것과 같은 다이오드 전도 전류는 위상 정류 시에 발생하는 것이다(이때 PWM 듀티 사이클 = 100%). 위상 정류 시에는 턴오프를 하면서 위상 전류를 MOSFET의 바디 다이오드를 통해서 0A로 떨어지게 한다.
바디 다이오드 전도가 일어나는 또 다른 경우는 동기 정류 데드 타임 때이다(이때는 PWM 듀티 사이클 < 100%).
다만 이 모드에 대해서는 이 글에서는 다루지 않는다.

구현

BLDC 모터를 구동하기 위해서 필요한 3상 인버터를 스위치당 2개 병렬 BSC010N04LSI MOSFET(총 12개 MOSFET)을 사용해서 45mm × 36mm 표면 면적으로 구현할 수 있다.

이 PCB는 특수한 동판 구조를 이용해서 SMD MOSFET으로부터 효과적으로 열 소산을 할 수 있으며, 이와 함께 또한 필요한 배터리 접속과 모터 출력 접속을 제공한다. 이 동판은 동일한 PCB 면적으로 높이는 8mm이다. 그러므로 전체적인 체적은 13cm3이다. 이 동판을 사용함으로써 PCB 상에 고전류 패턴을 필요로 하지 않는다. 이 동판을 통해서 고전류(200A 이상)를 전도할 수 있기 때문이다.

XMC 마이크로컨트롤러를 포함한 전체적인 전원부가 뛰어난 성능을 달성한다. 1kW(20V/50A) 대의 전력을 손쉽게 달성할 수 있다.


시험 결과

BSC010N04LS와 BSC010N04LSI를 사용했을 때 인버터 효율을 측정했다(그림 3). 동일한 테스트 조건으로 BSC010N04LSI의 전력 손실이 최대 20%까지 더 낮다는 것을 알 수 있다. 이로써 유사 쇼트키 다이오드를 통합함으로써 훨씬 더 유리하다는 것을 알 수 있다.

결론

이 글에서는 TO-220 패키지 MOSFET을 훨씬 더 소형화된 SuperSO8 패키지 MOSFET으로 교체할 수 있다는 것을 살펴봤다. 낮은 RDS(ON)과 유사 쇼트키 다이오드를 통합함으로써 이 SMD 솔루션을 사용한 구현이 가능하게 됐다. 최대 출력 전력일 때 유사 쇼트키 다이오드가 전력 손실을 최대 20%까지 줄일 수 있도록 한다.

전력 손실이 낮아지는 것은 곧바로 MOSFET의 온도를 낮추는 것으로 이어진다. 인피니언의 OptiMOS™ BSC010N04LSI MOSFET은 모놀리식으로 유사 쇼트키 다이오드를 통합한 제품으로서, 무선 전동공구에 사용하는 블록 정류 고속 BLDC 모터를 위한 탁월한 솔루션을 제공한다.


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