전기 모터 드라이브 전원 공급
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알리스테어 위닝(Allistair Winning), 마우저 일렉트로닉스
2025년 12월 15일
오늘날 사용되는 가장 인기 있는 모터 유형 중 일부는 복잡한 알고리즘을 처리하는 강력한 마이크로컨트롤러 기반의 제어 방식 없이는 작동할 수 없다. 예를 들어, 영구 자석 동기 모터(PMSM)와 브러시리스 DC(BLDC) 모터 모두 효과적으로 작동하려면 방대한 수학적 계산이 필요하다. 마이크로컨트롤러는 일반적으로 정확한 양의 전력을 공급할 때가 아니라 복잡한 계산을 수행할 때 최고의 성능을 발휘한다. 일부 마이크로컨트롤러는 필요한 전력을 공급할 수 있는 회로를 통합하고 있지만, 종종 전용 전력 시스템이 필요하다.
이 글에서는 전기 모터에 전력을 공급하는 아키텍처와 구성 요소에 대해 살펴본다.
아키텍처
3상 AC 및 BLDC 모터 제어 설계에서 고정자 코일에 전력을 공급하는 가장 널리 사용되는 방법은 인버터를 사용하는 것이다 (그림 1). 대부분의 3상 AC 모터 설계에서 공급 전압은 처음에 DC로 변환된 다음, 해당 DC 신호는 펄스 폭 변조(PWM)를 사용하여 원하는 AC 주파수 및 크기로 변환된다.
그림 1: 전체 모터 제어 회로도에서 인버터의 위치. (출처: Analog Devices)
토폴로지와 모터 설계의 위상 수에 따라 다양한 유형의 인버터를 사용할 수 있다. 하지만 PWM 신호를 전달하는 가장 보편적인 방법은 3상 2레벨 구성을 통한 것이다 (그림 2). 이 경우 인버터 브리지는 6개의 트랜지스터로 구성되며, 각 트랜지스터에는 모터와 같은 유도성 부하에서 공급 전류가 빠르게 감소할 때 발생하는 갑작스러운 전압 스파이크로부터 트랜지스터를 보호하기 위해 플라이백 다이오드가 연결되어 있다. 6개의 트랜지스터는 6개의 게이트 드라이버에 의해 독립적으로 제어되며, 고주파수에서 완전히 켜지거나 완전히 꺼진다. 이들은 유사 이상적인(quasi-ideal) 스위치 역할을 하여 고정자 전자석에 대한 전압을 변조하고, 모터의 속도를 제어하기 위해 PWM 신호를 재생성한다. BLDC 모터도 비슷한 방식으로 제어되지만 입력 전압이 이미 DC이므로 초기 정류가 필요하지 않다.
그림 2: 3상 모터를 구동하는 인버터 단. (출처: Analog Devices)
전력 부품
MOSFET과 IGBT는 전력을 공급하기 위한 인버터 설계에서 스위치 역할을 하는 데 전통적으로 사용되어 왔다. MOSFET은 잠재적으로 최대 100kHz의 주파수에서 스위칭할 수 있지만, 수십 kHz의 속도에서 더 자주 사용된다. 이 소자들은 이를 제어하는 IC와 유사한 제조 공정을 사용하므로 일부 저전력 애플리케이션의 경우 단일 칩 솔루션이 가능하다. MOSFET의 다른 장점으로는 높은 입력 임피던스, 낮은 온저항, 낮은 게이트 전력 소비, 쉬운 구동, 그리고 더 넓은 안전 작동 영역 등이 있다. 이러한 특성 덕분에 MOSFET은 낮은 전류 밀도에 대해 에너지 효율적인 솔루션이 필요한 애플리케이션에 이상적이다. 그러나 전압이 증가함에 따라 접합부 온도도 상승하고 내부 다이오드의 역회복 성능이 저하되어 열 및 스위칭 손실이 증가한다.
이러한 더 높은 전압 및 전류 레벨에서는 일반적으로 IGBT가 스위칭 소자로 선호된다. IGBT는 MOSFET과 유사한 구조를 갖지만 콜렉터에 추가적인 P+ 층이 더해져, 마치 MOSFET이 PNP 트랜지스터를 구동하는 것처럼 작동한다 (그림 3). 저전력 신호를 사용하여 구동하기 쉽고 약 20kHz의 더 낮은 주파수에서 작동한다. 하지만 IGBT의 설계는 일반적인 MOS IC 공정으로 제조되는 것을 허용하지 않으며, 이는 MOSFET과 같은 통합된 내부 역회복 다이오드가 없음을 의미한다. 모터 제어 목적을 위해 이러한 다이오드는 PCB 외부에 사용하거나 IGBT와 함께 별도의 다이로 패키징하여 사용해야 한다. 외부 회복 다이오드는 장단점을 모두 가지고 있다. 특정 애플리케이션에 맞게 맞춤화할 수 있지만, 그렇게 하면 설계 비용이 추가되고 추가적인 PCB 공간이 필요하다.
그림 3: IGBT 기호 및 등가 회로. 콜렉터 단자는 PNP 트랜지스터의 에미터이다. (출처: 인피니언)
주요 파라미터
MOSFET과 IGBT 모두, 전류 처리 및 피크 전압 정격이 모터 부하의 요구 사항을 충족하는 데 필요한 주요 특성이다. 이러한 사양에 이어, 두 소자는 2차 및 3차 요구 사항을 갖는다.
MOSFET의 가장 중요한 2차 파라미터는 드레인-소스 온저항 (RDS(ON)) 과 게이트 정전 용량이다. 더 낮은 온저항은 소자가 도통될 때 저항 손실을 줄이고 전압 강하를 낮춰 직접적으로 더 높은 효율성을 가져온다. 하지만 보이는 것처럼 간단하지만은 않다. 게이트 정전 용량은 전도율이 얼마나 빨리 꺼지고 켜질 수 있는지를 결정하는 요소이며, 이는 I = C dV/dt라는 공식을 통해 계산할 수 있다. 스위칭 주파수와 함께 이는 게이트 손실에도 영향을 미친다. 스위칭 주파수가 높을수록 손실은 더 커지고 효율은 더 낮아진다. 더 낮은 RDS(ON) 을 갖도록 설계된 MOSFET은 일반적으로 더 큰 게이트 면적을 가지게 되어 게이트 정전 용량이 높아진다. 따라서 최고의 성능과 최저의 손실을 얻기 위해 온저항 RDS(ON) 게이트 정전 용량 사이의 절충안(trade-off)을 찾을 수 있다. 제조업체는 거의 항상 데이터시트에서 FOM = RDS(ON) × 게이트 전하 (QG) 공식을 사용하여 전반적인 가치를 성능 지수(FOM)로 제시한다.
IGBT의 경우, 온상태(on-state) 전압 강하가 고려해야 할 중요한 사양이다. 이 전압 강하에는 P-N 접합에 걸친 다이오드 강하와 구동 MOSFET에 걸친 전압 강하가 모두 포함된다. 순수 전력 MOSFET과 달리 IGBT의 온상태 전압 강하는 다이오드의 임계값 아래로 떨어지지 않는다.
올바른 부품을 선택하는 것은 단순히 데이터시트에서 올바른 수치를 선택하는 문제만이 아니다. 작동 중에 파라미터가 변하기 때문이다. MOSFET의 RDS(ON) IGBT의 온상태 전압 강하는 모두 온도와 전류의 영향을 받으며, 두 유형의 소자 모두 작동 중 발열에 취약하다. MOSFET의 전압 강하는 전류에 비례하며, RDS(ON)은 온도에 따라 증가한다. IGBT의 전압 강하는 다이오드의 전압 강하와 유사하여 전류의 로그에 따라 증가하고 온도에 따라 비교적 일정하게 유지된다.
와이드 밴드갭 혁명
최근까지 실리콘 MOSFET 및 IGBT는 전기 모터에 전력을 공급하는 부품으로 선택되어 왔다. 많은 애플리케이션에서 여전히 완벽하게 수용 가능한 옵션으로 남아 있지만, 이제 와이드 밴드갭 기술의 상용화로 인해 더 많은 선택이 가능해졌다. 지난 10년 동안 질화 갈륨(GaN)과 실리콘 카바이드(SiC) 반도체가 시장에 출시되었으며, 거의 모든 경우에서 실리콘 트랜지스터보다 더 나은 특성을 제공한다.
밴드갭은 전자와 정공이 가전자대에서 전도대로 전이하는 데 필요한 에너지를 말한다. 실리콘의 밴드갭이 1.12eV인 반면, SiC와 GaN의 밴드갭은 각각 3.26eV와 3.39eV이다. 이 세 가지 재료의 항복 전계(breakdown field)도 비슷한 양상을 보인다. SiC는 3.5MV/cm, GaN은 3.3MV/cm, 실리콘은 0.3MV/cm이다. 이러한 수치는 GaN과 SiC가 더 높은 전압을 유지하는 능력이 실리콘보다 10배 이상 뛰어나다는 것을 의미한다. 실용적인 측면에서 두 가지 와이드 밴드갭 재료는 더 빠르게 스위칭하고 더 높은 전압을 더 오래 처리할 수 있어 더 효율적이다. 또한 실리콘 소자의 경우 작동 온도가 200°C에 불과한 데 비해 SiC는 약 600°C, GaN은 약 300°C로 실리콘보다 더 높은 작동 온도를 견딜 수 있다. 이러한 이점만으로도 와이드 밴드갭 설계는 더 작고 가벼운 솔루션, 더 나은 성능, 그리고 더 쉬운 열 관리를 제공할 수 있다.
GaN과 SiC의 밴드갭 수치는 비슷해 보이지만, 전자 이동도 수치는 매우 다르며 이 재료들이 전력 처리 애플리케이션에 어떻게 사용될지를 결정하는 데 큰 역할을 한다. 전자 이동도는 전기장에 의해 당겨질 때 전자가 도체 또는 반도체 재료를 얼마나 빨리 통과할 수 있는지를 측정한다. GaN이 2,000cm2/Vs의 전자 이동도로 가장 빠르며, 실리콘이 1,400cm2/Vs, SiC가 650cm2/Vs 로 그 뒤를 잇는다.
이러한 더 나은 사양은 GaN이 실리콘 MOSFET보다 10배 더 빠르게 스위칭할 수 있음을 의미한다. GaN 설계의 매우 낮은 게이트 정전 용량 역시 스위칭 손실을 낮추는 결과를 가져온다. GaN 트랜지스터가 전력 설계를 어떻게 변화시킬 수 있는지 보여주는 훌륭한 예는 휴대폰용 USB 충전기에서 찾을 수 있다. 이 충전기들은 전력 처리 기능이 약 11W에서 70W로 증가했음에도 불구하고 크기는 오히려 줄어들었다. 따라서 GaN은 가능한 최고의 효율이 필요한 최대 650V 및 20kW의 모터 애플리케이션에 이상적인 솔루션을 제공한다.
반면 SiC는 실리콘 솔루션보다는 여전히 빠르지만 GaN보다는 훨씬 느리게 스위칭한다. 이 재료는 고전압 및 전류 처리, 높은 열전도율, 그리고 견고성과 같은 추가적인 전력 공급 이점을 제공한다. SiC의 더 높은 스위칭 주파수는 최대 약 1,200V 및 200kW의 고효율과 정확도를 요구하는 설계에 더 적합하다.
물론 이러한 더 나은 성능을 얻기 위해서는 절충안이 필요하다. 와이드 밴드갭 반도체는 MOSFET 및 IGBT보다 구동하기 훨씬 어려워 설계 시간과 복잡성을 증가시킨다. 또한 와이드 밴드갭 재료를 사용하는 가장 큰 장점 중 하나는 더 빠른 스위칭 덕분에 더 작은 필터 부품을 사용할 수 있다는 것이다. 그러나 모터 애플리케이션에서는 필터를 광범위하게 사용하지 않는데, 모터 권선이 PWM 신호를 매끄럽게 하는 데 사용될 수 있기 때문이다. MOSFET 및 IGBT가 제공하는 적당한 스위칭 속도조차도 거의 완벽한 파형을 제공한다. SiC 및 GaN 트랜지스터도 작동 중에 역회복 손실을 겪을 수 있다.
초기 비용을 기준으로 보면 IGBT 및 MOSFET이 SiC 및 GaN 트랜지스터보다 저렴하기 때문에 비용에 민감한 많은 애플리케이션에 더 나은 선택이 될 수 있다. 그러나 SiC 및 GaN 트랜지스터가 실리콘 부품에 비해 더 비싸긴 하지만, 현장에서의 더 높은 효율성으로 인해 전체 애플리케이션 수명 주기 동안에는 비용이 덜 드는 솔루션이 될 수 있다.
지금까지 설명한 모든 유형의 트랜지스터는 애플리케이션의 요구에 따라 완벽하게 수용 가능한 선택지이다. 실제로 그림 4에 나와 있듯이, 약 100kHz/10kW 수준에서 상당한 겹침이 존재하며 네 가지 트랜지스터 유형 모두 실행 가능한 선택이 될 수 있다. 물론 GaN 및 SiC 트랜지스터 기술이 성숙해짐에 따라 차세대 소자는 성능이 향상되고 비용이 낮아질 가능성이 높다. 그렇다고 해서 IGBT와 MOSFET이 현재 상태로 머물 것이라는 의미는 아니다. 예를 들어, 최근 도입된 트렌치(trench) IGBT는 향상된 성능, 크기 감소, 그리고 더 나은 열 성능을 제공한다.
그림 4: 최신 전력 반도체의 대략적인 응용 분야. (출처: Qorvo)
맺음말
전기 모터 드라이브는 단순한 고급 제어 알고리즘 그 이상에 의존한다. 효율적이고 견고한 전력 공급 시스템을 요구한다. 전통적인 실리콘 기반 MOSFET 및 IGBT는 광범위한 애플리케이션에서 입증된 성능을 제공하며 이러한 역할을 잘 수행해 왔다. 그러나 GaN 및 SiC와 같은 와이드 밴드갭 기술의 등장은 더 높은 스위칭 속도, 향상된 열 관리 및 전반적으로 더 큰 효율성을 가능하게 하며 시장의 지형을 바꾸고 있다. 이러한 최신 소자들은 설계의 복잡성을 증가시키고 초기 비용을 높이지만, 크기, 성능 및 수명 주기 효율성 측면에서의 장기적인 이점은 현대 모터 애플리케이션에서 점점 더 매력적으로 다가오고 있다. 궁극적으로 올바른 솔루션을 선택하는 것은 전압, 전류, 열 및 비용에 대한 고려 사항의 균형을 맞추는 데 달려 있다.
이 글은 Microsoft 365용 Copilot의 도움을 받아 생성되었습니다.
저자 소개
알리스테어 위닝(Alistair Winning)은 1997년에 웨스트 스코틀랜드 대학에서 전자 시스템 학사학위를 취득하고, 이후로 일렉트로닉스 미디어 분야에 종사하면서 마케팅, PR, 저널리즘 직책을 거쳤다. 그 동안에 Electronics Engineering, Embedded Systems Europe, EENews Embedded, Technology First, Electronic Product Design and Test, Panel Building and Systems Integration 등의 잡지에서 편집자를 역임했다. 현재는 Power Systems Design의 유럽 편집자 및 일렉트로닉스 및 엔지니어링을 전문으로 하는 프리랜스 기고가로 일하고 있다.