자동차에서 사용되는 모터의 수는 컴팩트 이코노미 모델의 경우 50∼60개, 럭셔리 모델은 100∼200개 사이이며 2015년에는 이 수치가 대당 200개를 초과할 것으로 예상된다.
따라서 사이즈와 무게 및 비용 축소가 점차 중요해질 것이므로 추가적인 집적 작업이 더욱 필요할 것으로 예상된다. 이 글에서는 지능형 파워 모듈을 사용해 차량 내 전기 제어 시스템을 구동하는 방법에 대해 설명한다.
점점 엄격해지는 연료 효율 규제와 고조되는 환경 영향에 대한 우려로 인해 차량 내 기계 시스템이 전기적 장치로 대체되고 있다. 이에 차량 시스템의 효율성이 높아지면서 작동 성능도 높아지고 있다.
일례로 차량의 전체적인 무게를 줄이는 동시에 연료 경제성까지 향상시킬 수 있도록 DC 모터 사용이 점점 보편화되고 있다(메인 모터는 제외). 파워스티어링 시스템의 경우, 유압 시스템에서 전기 시스템으로 전환하면 연료 효율이 3∼5% 향상된다.
차량 내 시스템의 경우, 브러시와 정류기가 있는 재래식 DC 모터보다 신뢰성이 높은 브러시리스 DC(BLDC) 모터가 점차 광범위하게 확산되고 있다. BLDC 모터는 차량의 전기 파워스티어링 시스템(EPS)뿐 아니라 물 펌프, 오일 펌프, 연료 펌프, 라디에이터 팬, HVAC, 시트 팬 등과도 접목된다.
그림 1. IMST 단면도
그림 2. IMST와 전형적인 IPM 구조 비교
차량 내 모터 제어의 요건 & 고려사항
차량 내 모터 제어 회로의 핵심 요건 중 하나는 Ta 150℃, Tj 170℃의 고온 환경에서 작동되는지 여부이다. 혹독한 환경에서 컨트롤 회로 전체의 높은 신뢰성도 필수적이다.
또한 납땜 작업이 증가하는 동시에 신뢰성은 낮아지고 무게도 가중될 뿐 아니라 열과 전체 비용에 대해 난항에 부딪치면서 개별 소자들을 채용해야 하는 빈도가 잦을수록 인쇄 회로 기판의 크기가 커지면서 전자기 간섭(EMI)과 같은 노이즈를 제거하는 것 또한 중요하다.
앞서 언급한 바와 같이 BLDC 모터는 효율성, 유지보수성, 유효 수명 및 안전성 면에서 브러시가 있는 모터에 비해 우월하지만 BLDC 모터는 외부 제어롤 회로를 포함하므로 더 많은 탑재 면적을 요하기 때문에 더 무겁고 비용이 많이 든다는 단점이 있다.
그래서 BLDC 모터의 장점을 활용하는 동시에 전체 시스템 사이즈와 무게를 줄이면서 비용을 절감하며 신뢰성을 보강하고 열과 노이즈를 처리하는 데 어려움이 있었다.
그림 3. BLDC 모터 드라이버 아키텍처
차량 내 설치를 위한 지능형 파워 모듈
최신 파워 반도체와 주변 부품들을 집적시키는 것은 사이즈와 무게를 줄여 BLDC 모터를 차량 내에 배치할 때 발생할 수 있는 문제를 해결하는 데 매우 효과적이다.
이럴 경우에는 서로 상이한 기술과 상이한 형태의 반도체 요소를 절연 기판에 탑재하고 전기적으로 연결해야 한다. 이러한 집적은 여러 개의 파워 소자로 이루어진 단순한 파워 모듈부터 파워 소자, 구동 회로, 보호회로 등을 접목시킨 지능형 파워 모듈(IPM)에 이르기까지 여러 가지 형태를 취한다.
파워 모듈 기판에는 일반적으로 두 가지 종류의 소재가 사용되는데 모두 고출력 메탈 기반 물질(예, 알루미늄)에 적합한 세라믹 기반 소재이다.
구리나 알루미늄과 같은 세라믹 기판은 금속 시트와 연결되므로, 넓은 기판의 경우 가공이 어렵고 집적도 안정적인 범위 내로 제한된다.
따라서 이러한 문제를 해결하기 위해 금속 기반의 절연 금속 기판 기술(IMST)을 사용한다. IMST는 반도체 부품을 비롯하여 수동 소자 및 기타 여러 구조의 부품들을 집약시키는 한편 단일 모듈로 그것들을 집적시키면서 사이즈와 무게를 줄여준다.
IMST 구조는 알루미늄 시트를 절연 층으로 덮고 그 위에 구리 호일을 올린 후 다시 구리 호일을 에칭 처리함으로써 단층 배선 패턴을 자유롭게 맞춤화하도록 되어 있다.
알루미늄 와이어를 사용해 트랜지스터나 IC/LSI 베어 칩 소자와 구리 호일 패턴 사이를 전기적으로 연결한다(초음파 접합). 두꺼운 구리 호일 패턴은 고전류 용도에, 얇은 패턴은 저전류 용도에 설계된다. 알루미늄 와이어 지름은 와이어를 통과하는 정격 전류 및 와이어의 용도(예, 점퍼 와이어 또는 접지 와이어)를 기준으로 한다.
만약 낮은 열 저항이 우선시된다면, 절연 층은 얇게해야 하며 고압이 중요할 경우 두꺼워야 한다. 기판이 알루미늄이므로 열 전도율과 전기 전도율이 기본적으로 높다. 이로 인해 다량의 전력을 처리하면서도 전자기 차폐 효과까지 제공된다.
일반적인 IPM은 여러 부품들을 별도의 회로 기판에 탑재하는 것인데 그 구조는 점과 선이 상호 연결된 일종의 프레임이므로 그 프레임 내에서 여러 가지 기능을 실행할 수 없다. 그러나 IMST 구조에서는 회로가 하나의 회로 기판에 탑재되므로 여러 가지 기능이 쉽게 실행될 수 있다.
파워 모듈이나 IPM의 경우, 여러 파워 반도체 제조사들이 특정 용도에 맞도록 제품을 만들고 있는데 상당수의 MOSFET이나 장착된 개별 소자들 혹은 베이스 기판이 일정하게 고정되지 않는다.
차량 내 시스템용 3상 BLDC 모터 솔루션 비교
차량 내 3상 BLDC 모터 비용을 줄이기 위해 포지션 감지 센서가 없는 타입(센서리스 타입)을 사용할 수 있다. 일반적으로 파워 MOSFET과 마이크로컨트롤러를 갖춘 프리 드라이버(pre-driver IC)가 설치되는데 BDLC 모터는 소프트웨어로 제어된다.
인쇄 회로 기판에는 평균 170개의 부품이 탑재된다. 이것을 고집적 IPM으로 대체함으로써 단락, 과도 전류, 제한적 전원 공급 전압 강하 및 과열을 방지하기 위한 자체 보호 기능을 가지는 전문 컨트롤러는 파워 MOSFET, 프리 드라이버(pre-drivers) 및 하드 로직(hard logic)을 사용해 하나의 모듈로 들어가 독립형 유닛이 된다.
이를 통해 관련 노이즈가 줄어들기도 하는데 모터 구동을 위한 소프트웨어가 필요 없기 때문에 설계 기간을 단축할 수 있다. 또한 이럴 경우에는 시스템의 신뢰도 또한 대폭 증가한다.
대체로 3상 BLDC 모터는 브러시가 있는 모터에 비해 가격이 더 비쌀 뿐 아니라 공간도 많이 차지하고 무게도 더 나간다. 그러나 IMST를 채용한 고밀도 IPM을 사용하면 공간을 절약하고 시스템 비용도 대폭 낮출 수 있다.
온세미컨덕터의 독립형 센서리스 타입 모터 컨트롤 IPM을 그림 4에 나타낸다. 여기에는 센서리스 포지션 탐지 로직과 모터 컨트롤러 IC(시퀀서), 6개의 파워 MOSFET와 주변 부품이 포함된다. 이 IPM은 또한 동기화 정류 동작을 통해 직접 PWM 컨트롤러에 반응한다.
그림 4. 독립형 센서리스 타입 모터 컨트롤 PM 블록 다이어그램
그림 5. PCB가 있는 별도 솔루션과 PCB가 없는 솔루션(IPM) 비교
이 특정 IPM의 예에서 보듯, 소자 구성을 실행하기 위해 통상적으로 필요한 부품들의 숫자가 170개에서 불과 5개로 줄었다. 이는 IMST를 활용해 각종 부품들을 집적시킬 수 있었기 때문이다.
그 결과 탑재 중량을 60%와 기판 면적을 85%를 줄일 수 있었다. 이 IPM이 사용되면서 인쇄 기판은 더 이상 필요가 없어졌고(PCB 없는 실행이 가능해졌음을 의미) 모터의 면적 내에 IPM을 맞출 수 있게 됐다.
그림 6. 온도 탐지
IMST 기반 IPM의 기타 이점
주목할 만한 IMST 기반 IPM의 첫 번째 장점은 고정밀 온도 탐지이다. 개별 소자 부품의 경우, 파워 트랜지스터 패키지와 온도 탐지 회로 패키지가 따로 떨어져 있으므로 온도 탐지 시간이 지연된다.
하지만 IMST 기반 IPM의 경우 온도 탐지용 컨트롤 회로 및 보호 회로들을 파워 트랜지스터로서 같은 기판 위에 탑재할 수 있다. 따라서 온도 탐지 오류가 최소화되므로 높은 정밀도의 회로 작동이 가능해진다.
IMST 기반 IPM의 두 번째 이점은 노이즈 탄력성이다. 노이즈 억제는 차량 내 시스템의 필수 측면이므로 설계 엔지니어는 가급적 최대한 노이즈를 줄어야만 한다.
EMI노이즈는 설계 단계에서 중대한 문제에 속한다. 하지만 IMST 기반 IPM의 경우, 금속 기판의 알루미늄 시트 부분과 구리 호일 부분 사이 절연 수지를 통해 정전 용량이 분산된다. 이는 파워 소자의 스위칭 노이즈를 효과적으로 줄여주는 작용을 한다. 그림 7에 개별 소자의 구성과의 비교 데이터가 자세히 나와 있다.
그뿐 아니라 IMST 기판에서는 배선 레이아웃과 와이어 본딩의 기생 인덕턴스가 감소할 수 있으므로 고압, 고전류 소자들이 hard-switch 될 때 스위치 상태 전환 과정에서 발생하는 고압 서지를 억제함으로써 노이즈를 낮출 수 있다.
세 번째 이점은 금속 기반 디자인의 우수한 열 발산에 있다. 이 속성은 절연 소재 및 절연 층의 두께에 좌우된다. 절연 층이 두꺼울수록 열 저항을 줄일 수 있다. 그림 9를 보면 다중 절연 금속 기판의 절연 층 두께와 열 저항 값 관계를 알 수 있다.
그림 7. 스위칭 노이즈 비교
그림 8. 고압 서지
그림 9. 열 저항 그림
향후 개발 과제
오늘날 자동차에서 사용되는 모터의 수는 컴팩트 이코노미 모델의 경우 50∼60개, 럭셔리 모델은 100∼200개 사이이며 2015년에는 이 수치가 대당 200개를 초과할 것으로 예상된다.
따라서 사이즈와 무게 및 비용을 축소하는 것이 점차 중요해질 것이므로 추가적인 집적 작업이 더욱 필요할 것으로 예상된다.
다양한 용도의 응용 분야에는 운전자 전용 모듈의 필요뿐 아니라 위에서 소개한 독립형 IPM시스템과 모터 제어 알고리즘 개발을 보장하는 일반 용도의 플랫폼 타입 솔루션도 필요할 것이다.
고출력 EPS의 출현이 임박함에 따라 현재의 파워 소자에 장착되는 파워 모듈의 밀도와 분권 저항을 더욱 높이기 위한 기술 개발이 진행 중에 있다.
더욱이 IPM 제품의 경우에는 기판과 절연 소재를 포함한 패키지 기술, 파워 반도체와 제어 회로의 와이어 본딩 및 디자인 기술 등을 탑재하는 것이 기술 개발의 열쇠이다.
Matt Tyler _ 온세미컨덕터
