큰 브러시 모터 움직이기

효율성과 높은 토크에도 불구하고, 많은 산업용 애플리케이션에서는 여전히 대형 브러시 모터와 서보 모터가 매우 흔하게 사용됩니다. 이는 주로 브러시 모터가 제어하기가 더 단순하고, 일반적으로 구매 비용이 저렴하기 때문이며, 따라서 이들을 구동할 필요성은 사라지지 않고 있습니다. 소형 브러시 모터 드라이버 집적회로로는 고전압, 고전류 또는 둘 다를 요구하는 큰 산업용 모터나 서보를 구동하기에 부족합니다. 이로 인해 이산 부품으로 H-브리지를 구축할 필요가 있습니다. 이는 매우 복잡한 회로도가 아니므로, 어려운 작업으로 간주되어서는 안 됩니다; 보호 다이오드가 있는 4개의 FET, 게이트 드라이버 세트, 그리고 단락을 방지하는 컨트롤러 IC로 요약됩니다. 게이트 드라이버와 컨트롤러 IC는 원한다면 단일 패키지에서도 찾을 수 있습니다.

H-브리지 구축

이것은 게이트 드라이버가 없는 전형적인 H-브리지 설계입니다. 브리지를 구축하기 위해 두 가지 옵션이 있습니다. 하나는 고측에 P-채널 MOSFET을 사용하고 저측에는 N-채널을 사용하는 것이고, 다른 하나는 모두 N-채널을 사용하는 것입니다. P-채널 MOSFET은 N-채널보다 RDS(on) (내부 저항)이 훨씬 높아, 고전류를 통전할 때 저항에서 발생하는 전력 소모로 인해 훨씬 더 많은 열을 발생시킵니다. 그러나 P-채널 FET은 고측에서 사용하기에 매우 편리합니다. N-채널 FET은 게이트에 소스보다 높은 전압이 인가될 때만 전도됩니다. 이때 게이트 드라이버가 필요한데, 이는 입력 전압을 충분히 증폭하여 N-채널 FET의 게이트를 구동함으로써 비용을 줄이고 회로 기판의 열 부하를 감소시킵니다.

게이트 드라이버의 또 다른 장점은 일반적인 마이크로컨트롤러 핀보다 MOSFET의 게이트로 훨씬 더 많은 전류를 이동시키고, 그것에서 전하를 빠르게 배출할 수 있는 능력입니다. 만약 단순히 모터를 어느 방향으로든 켜는 데 H-브리지를 사용한다면, 이것은 큰 장점이 되지 않을 것입니다. 그러나 고주파 PWM을 사용하여 모터의 속도를 변화시키거나 서보를 구축하는 경우, FET의 게이트로부터 대량의 전류를 구동하고 배출할 수 있는 이 능력은 매우 고성능의 솔루션을 구축할 수 있게 합니다.

내부 저항과 게이트 용량 측면에서 N-채널 FET의 엄청난 장점으로 인해, 우리는 고측과 저측 모두에 N-채널을 사용하여 H-브리지를 구축하는 데 집중할 것입니다.

H-브리지 제어

듀얼 드라이버

고전압, 고 PWM 속도 또는 둘 다를 다루고 있다면, H-브리지에 대해 두 개의 개별 드라이버를 사용하는 것을 고려해 보는 것이 좋습니다. 단일 MOSFET 게이트 드라이버는 훌륭하지만, 고전압과 전류는 단일 IC의 운영 한계를 패키징 제약으로 인해 초과할 수 있습니다. DC 서보 컨트롤러를 구축하고 있고 모터 위치에 많은 작은 조정을 해야 한다면, 드라이버에 대해 고 PWM 주파수를 실행할 수 있습니다. 이러한 주파수는 MOSFET의 게이트 전하를 빠르게 충전하고 방전하는 것을 요구하며, 이는 상당한 전류를 필요로 합니다.

이 회로도에서 저는 EiceDriver 게이트 드라이버 범위에서 Infineon 2EDL05N06PFXUMA1 두 개를 사용합니다. 진리표 신호는 마이크로컨트롤러에 의해 잘 관리되어야 H-브리지를 즉시 소손시킬 수 있는 슈트스루 조건이 발생하지 않도록 해야 합니다. 통합 풀 브리지 드라이버 패키지에 비해 나쁜 프로그래밍에 대한 보호가 없는 이러한 트레이드오프는 최대 600V 드라이브 능력과 게이트를 빠르게 스위칭하기 위한 상당한 소스/싱크 전류를 제공합니다.

위의 회로도 스크린샷은 GitHub에서 제 중량급 서보 저장소에서 가져온 것입니다. 이 오픈 소스 프로젝트는 Citrus CNC의 Tarocco DC 서보 드라이브에서의 오픈 소스 작업을 기반으로 합니다. 이 100V DC 서보 드라이버는 Siemens SiPlace 변환 프로젝트에서 모터를 제어하는 데 사용되었습니다.

단일 드라이버

낮은 전압으로 작업하는 경우, H-브리지의 양쪽을 처리할 수 있는 통합 회로를 사용하는 것이 가능해지며, 이는 일부 공간 절약과 통합 슈트스루 보호로 인한 안심을 제공할 수 있습니다. 단일 드라이버가 필요할 때 저는 일반적으로 같은 시리즈에서 오랜 산업 품질 컨트롤러의 유산을 가진 Renesas HIP4081A를 선택합니다.

HIP4081A와 대부분의 다른 드라이버는 구현이 매우 간단하며, 고측 게이트 전압을 위한 디커플링 및 부트스트래핑을 위해 몇 개의 패시브 부품만 필요합니다. 위의 회로도는 석유 및 가스 산업에서 사용된 12V, 100A 모터 컨트롤러에서 가져온 것입니다.

고려해야 할 사양

H-브리지에 단일, 이중, 또는 쿼드 게이트 드라이버를 사용하든, 고려해야 할 기본 사양은 동일할 것입니다. 주요 관심사는 브리지에 사용된 MOSFET뿐만 아니라 그와 함께하는 보호 다이오드가 될 것입니다. 그러나 각 부품을 선택한 후에는 시스템이 최적인지 확인하기 위해 다른 선택한 부품을 다시 검토해야 합니다. 여기서 중요한 점은 MOSFET의 게이트 대 소스 전압 대비 FET 드라이버 출력 전압, 그리고 보호 다이오드의 클램핑 전압 대비 MOSFET의 최대 드레인-소스 전압입니다. H-브리지에 고주파 PWM을 실행하는 경우, FET 드라이버 전류 대비 MOSFET의 게이트 충전/입력 커패시턴스도 고려해야 합니다. 그러나 우리는 H-브리지의 각 부품의 사양을 자세히 살펴봄으로써 부품 선택 과정에 대한 가이드를 제공할 것입니다.

MOSFET 사양

데이터시트에서 볼 수 있는 관련 온도 목록 중 몇 가지는 이러한 사양이 감소되어 정기적으로 다루지 않으면 혼란을 줄 수 있습니다. 일반적으로 T_A, T_C 및 T_J가 나열됩니다:

• T_A는 PCB의 주변 온도에서 다른 냉각 없이 장치의 온도로, 일반적으로 25°C로 나열됩니다.

• T_C는 케이스 온도로, 케이스가 대형 방열판과 강제 공기 또는 액체 냉각에 의해 이 온도로 강제 냉각된다고 가정합니다.

• T_J는 패키지 내의 실리콘인 게이트 접합의 온도입니다. IC를 디캡핑하지 않고는 이를 측정할 수 없으므로, 장치의 열 특성을 사용하여 이를 계산해야 합니다.

대형 방열판과 활성(강제 공기 또는 액체) 냉각을 사용하지 않는 경우 T_A 등급을 기준으로 선택하여 단축 목록을 만든 다음, 계산기를 꺼내 실제로 특정 회로에 가장 적합한 장치를 계산해야 합니다. MOSFET은 회로 기판의 다른 장치에 대해 합리적이라고 느낄 수 있는 것을 훨씬 넘어서도 잘 작동할 수 있습니다. 접합 온도가 175°C에 도달하거나 그 이상이 되어도 지정된 매개변수 내에서 기능하므로 MOSFET에 많은 여유를 제공합니다. 그러나 회로 기판의 다른 구성 요소는 장시간 높은 온도를 유지하는 것에 대해 그다지 만족하지 않을 수 있습니다. 아래는 MOSFET의 가장 중요한 매개변수와 이것이 컨트롤러에 미치는 영향입니다.

Vdss - 드레인 대 소스 전압

MOSFET의 전압은 분명해 보이지만, 다른 사양을 최적화하는 데 너무 집중하다 보면 필요한 것보다 전압이 낮은 부품을 실수로 선택할 수 있습니다. 전압은 최소한 모터에 공급되는 전압이어야 하지만, 모터가 빠르게 움직일 때 제동할 때 큰 스파이크가 발생하므로 실제로는 최소 25% 더 높아야 합니다. 따라서 보호 다이오드를 선택한 후 이 사양을 다시 확인하는 것이 좋습니다. Vdss가 다이오드의 캠핑 전압보다 높아야 MOSFET이 빠르게 소모되지 않습니다.

VGS - 게이트 대 소스 전압

일부 MOSFET 드라이버는 다른 것보다 더 높은 전압을 생성할 수 있으며, 이는 보통 문제가 되지 않지만 염두에 두어야 합니다. 예를 들어, 드라이버가 소스 전압보다 10V 더 높은 전압을 생성하는데 MOSFET이 8V만 견딜 수 있다면, 오래 가지 못할 수 있습니다. 마찬가지로, 일부 MOSFET은 최소 RDS(on)에 도달하기 위해 더 높은 구동 전압을 요구할 수 있고, 드라이버가 그 전압을 제공하지 못할 수도 있습니다. 따라서 MOSFET의 VGS와 RDS(on)은 MOSFET 드라이버 IC를 볼 때 최적의 시스템을 보장하기 위해 평가되어야 합니다.

RDS(on) - 켜짐 드레인-소스 저항/내부 직렬 저항

FET 저항은 집적 회로에서 열로 손실되는 에너지의 양과 직접 관련이 있는 중요한 사양입니다. 패키지가 충분히 빠르게 열을 제거할 수 없으면, 집적 회로는 자체 보호 모드로 들어가거나 마법의 연기를 방출할 수 있습니다. RDS(on)이 낮으면 IC 주변의 히트싱크나 구리 면적도 작게 할 수 있습니다. 장치의 정격 전류에 관계없이, 열이 진정한 제한 요소입니다. 드라이버 주변에 구리 투입으로 히트싱크 역할을 할 제한된 면적이 있다면, 드라이버가 가능한 한 적은 열을 발생시키도록 RDS(on) 사양을 우선시해야 합니다.

ID - 전류 소모량

모터를 불규칙하게 펄싱하거나 매우 큰 히트싱크를 가지고 있지 않는 한, 드레인 전류는 MOSFET을 비교할 때 가장 중요하지 않은 사양 중 하나일 것입니다. Vdss와 마찬가지로, 모터가 작동할 수 있도록 선택한 장치가 충분히 높은 ID를 가지고 있는지 확인해야 합니다. 여기에는 시작 및 정지 전류가 포함됩니다. ID는 장치에 대한 제한 요소가 아닐 가능성이 높으며, 접합부/패키지에서 충분한 열을 제거할 수 있는지 여부가 장치를 통해 전달할 수 있는 전류의 진정한 한계가 될 가능성이 높습니다. Infineon과 같은 일부 제조업체는 다양한 조건(VGS 전압, 구리 면적 등)에 대한 ID를 데이터시트에 나열하여 디레이팅에 대한 아이디어를 제공합니다. 예를 들어, IPT004N03LATMA1 데이터시트는 대부분의 조건에서 300A를 처리할 수 있는 장치를 보여줍니다. 그러나 구리 면적이 단 6cm2인 경우에는 72A만 처리할 수 있습니다.

Ptot - 전력 소모

일반적으로, ID보다 Ptot이 훨씬 더 제한적인 것으로 나타납니다. 위의 놀라운 Infineon MOSFET보다 훨씬 높은 RDS(on)을 가진 놀랍도록 작은 패키지의 다른 MOSFET을 살펴보면, 예를 들어 Nexperia PMZB290UNE과 같은 경우, 최대 총 전력 소모가 사용을 제한하는 방법을 볼 수 있습니다. 이 장치는 380 밀리옴의 RDS(on), 최대 전류 1암페어 및 최대 전압 20볼트를 가지고 있습니다. 1cm2의 구리 면적과 25°C의 주변 온도에서, 이 장치의 최대 전력 소모는 360mW로 평가됩니다. 이 평가는 장치의 전압 또는 전류 등급보다 훨씬 적은 290mA와 3.3V에서만 도달됩니다. 따라서, 장치는 최대 20V 또는 최대 1A를 지원할 수 있지만, 총 전력 소모 제약으로 인해 동시에는 지원할 수 없다는 결론을 내릴 수 있습니다.

QG - 게이트 충전

기사 초반에, 드라이버가 MOSFET의 게이트로 많은 전류를 이동시킬 수 있는 능력이 중요하다고 언급했습니다. 게이트 충전은 게이트 용량을 담당하며, 그 이유의 대부분입니다. 게이트를 켤 때마다 이만큼의 에너지를 공급해야 하며, 그렇지 않으면 게이트가 켜지지 않습니다. 충전을 더 빨리 공급할 수록, 게이트를 더 빨리 스위칭할 수 있습니다. 게이트를 더 빠르고 자주 스위칭할수록, 게이트 전류가 더 높아집니다. 이러한 충전은 매우 작지만, 게이트를 초당 백만 번 켜면 게이트를 충전하고 방전하는 데 필요한 전류가 상당히 누적됩니다. Vishay의 심층적인 애플리케이션 노트에서 게이트 충전이 스위칭 시간에 어떤 영향을 미치는지에 대해 자세히 읽을 수 있습니다. 일반적으로, 드라이버를 살펴볼 때, 시스템이 운영될 주파수에서 MOSFET이 필요로 하는 충전량을 계산하여 얼마나 많은 전류를 공급해야 하는지 고려해야 합니다.

Ciss - 입력 용량

게이트 충전과 매우 밀접한 관련이 있는 것이 입력 용량입니다. 입력 용량은 게이트-소스 용량(Cgs)과 게이트-드레인 용량(Cgd)의 합입니다. 입력 용량은 입력에서 본 MOSFET의 전체 용량입니다. 게이트 충전은 MOSFET이 작동하도록 입력 용량을 구동하기 위해 필요한 충전량입니다.

보호 다이오드 사양

MOSFET의 다이오드 기능은 훌륭하지만, 모터가 정지되거나 역전될 때 발생하는 과도한 전압 스파이크를 클램핑하기 위해 사용하고 싶은 것은 아닙니다. 이러한 전압은 매우 높을 수 있으며, MOSFET을 매우 빠르게 태우거나 열화시킬 수 있습니다. 제 경험에 따르면 TVS 다이오드를 사용하든 쇼트키 다이오드를 사용하든 중요하지 않습니다. 내구성 있는 모터 컨트롤러를 원한다면 전압 스파이크의 충격을 줄일 수 있는 것이 필요합니다. "할 가치가 있다면, 과잉으로 하는 것이 가치가 있다"는 말의 팬으로서, 저는 일반적으로 저측에 TVS 다이오드와 쇼트키를 병렬로, 고측에는 쇼트키만을 사용하여 H-브리지가 던져지는 것을 견딜 수 있도록 합니다. 다음 다이오드 사양은 데이터 시트에서 마주칠 때 중요할 수 있습니다.

TRR - 역회복 시간

오늘날 판매되는 대부분의 쇼트키 다이오드는 빠른 회복으로 간주됩니다. 더 빠른 것이 더 낫지만, 대체로, 회복 속도는 H-브리지의 성능에 큰 영향을 미치지 않습니다. 모터를 빠르게 시작하고 정지할 때, 다이오드는 모터가 꺼질 때 순방향으로 전도되었다가 모터가 다시 켜질 때 즉시 역방향으로 전환됩니다. 다이오드는 매우 짧은 간격 동안 역방향으로 전류를 전도합니다. 이 작은 회복 시간 동안 다이오드를 통한 역방향 전류는 상당히 클 수 있으며, 회복 시간이 너무 길면 슈트스루를 일으킬 수 있습니다. 그러나 시장에 나와 있는 대부분의 다이오드는 MOSFET 게이트가 꺼지는 것보다 훨씬 빠르게 회복되므로, 이는 문제가 되지 않습니다.

VR - 직류 역전압

역전압은 H-브리지가 구동될 것으로 예상되는 최대 전압보다 높아야 합니다. 배터리를 사용하는 경우 명목 전압이 아닌 최대 충전 상태를 고려해야 합니다. 다이오드가 역방향으로 전도하기 시작하면 모터에서 이상한 동작을 볼 수 있으며, 그 전에 무언가가 타기 시작할 수 있습니다. 역전류는 상대적으로 낮지만, 특히 저전력 H-브리지에서는 이상한 결과를 초래할 수 있을 만큼 충분합니다.

VF - 직류 순방향 전압

이 사양은 쇼트키 다이오드에 있어서 가능한 한 최소화되어야 하는 매우 중요한 것 중 하나입니다. 순방향 전압이 MOSFET의 바디 다이오드보다 높으면, MOSFET은 외부 다이오드에 의존하기보다는 내부적으로 전압을 클램핑하기 시작하고, 모터에서 발생하는 전압 스파이크의 충격을 주로 받게 될 수 있습니다. 전압이 낮을수록 다이오드의 발열도 줄어들며, MOSFET으로 인해 기판 온도가 이미 상승한 상태에서 고주파 작동 시 편리합니다.

IO - 정류 전류

다이오드에 대한 정류 전류는 특별히 큰 것이 필요하지 않으며, MOSFET 전류의 5%-20% (더 작은 MOSFET의 경우 더 큰 비율) 정도면 일반적으로 충분합니다. 모터 구동을 멈출 때마다 다이오드는 고전류의 짧은 지속 시간의 충격을 받게 되며, 이는 전압을 클램핑합니다. 모터의 인덕턴스를 알고 있다면 이를 계산할 수 있고, 일반적인 H-브리지를 구축하는 경우 다양한 모터에 대해 계산하거나 대략적인 수치로 계산할 수 있습니다. 이는 첫 번째 프로토타입을 오실로스코프로 테스트하여 기대치가 현실적인지 확인하는 좋은 사양입니다. 여기서 주의할 점은, 만약 전류가 예상보다 훨씬 낮다면, 이는 MOSFET이 다이오드보다 전류를 전도하고 있다는 의미일 수 있으며, 이는 좋지 않습니다.

FET 드라이버 사양

게이트 드라이버는 다양한 드라이버 수로 구매할 수 있습니다. 그러나 H-브리지를 구동하는 경우, 두 개 또는 네 개의 드라이버 모델에만 관심이 있을 가능성이 높습니다. 단일 드라이버도 유용할 수 있지만, 네 개의 단일 드라이버를 사용하면 보드 공간을 많이 차지하므로, 매우 특별한 이유가 없다면 듀얼 또는 쿼드 옵션을 원할 것입니다. 듀얼 드라이버 옵션을 살펴볼 때, 드라이버가 H-브리지용이며 하나의 패키지에 두 개의 독립적인 하이 사이드 드라이버가 아닌지 확인해야 합니다.

VIN - 공급 전압

드라이버의 공급 전압은 내부 회로를 구동하고, 로우 사이드 게이트를 구동하며, 부트스트랩 전압을 생성하는 데 사용됩니다. 많은 컨트롤러는 부트스트랩 전압이 고사이드 전압과 공급 전압을 합한 것과 같습니다. 이미 H-브리지용 MOSFET을 선택했다면, 드라이버의 최소 공급 전압이 MOSFET의 최대 게이트 전압(VGS)보다 낮은지 확인해야 합니다. 드라이버의 최소 공급 전압이 게이트의 최대치보다 높다면, MOSFET은 빠르게 파괴되고, 실패할 경우 H-브리지를 통해 수백 암페어가 단락되면서 회로 기판에 매우 나쁜 일이 발생할 수 있습니다.

VBOOT - 부트스트랩 전압

부트스트랩 전압이 공급 전압과 다르다면, 이것이 MOSFET에 너무 높지 않은지 확인해야 합니다. MOSFET의 VGS 사양을 확인하여 이것이 게이트를 손상시키지 않을지 확인하세요.

VDD - 로직 공급 전압

현대의 마이크로컨트롤러는 보통 1.8v 또는 3.3v의 로직 레벨을 가지고 있지만, 일부 오래된 것들은 5v에서 작동할 수 있습니다. 드라이버가 마이크로컨트롤러의 출력을 로직에 직접 사용할 수 있도록 하여, 신호를 더 높은 전압으로 변환하기 위한 추가 구성요소가 필요하지 않도록 해야 합니다. 일부 게이트 드라이버는 4v 이상의 로직 임계값을 가지고 있어, 낮은 전압의 마이크로컨트롤러와는 호환되지 않을 수 있습니다.

IOHH - 피크 풀업 전류

이 기사에서 여러 번 언급했듯이, 게이트 드라이버 IC를 사용하는 주된 이유는 게이트 용량을 극복하고 게이트를 매우 빠르게 스위칭하기 위해 게이트로 큰 전류를 이동시킬 수 있어야 하기 때문입니다. 사용하려는 MOSFET이 무엇인지 알게 되면, PWM 속도를 기반으로 한 몇 가지 간단한 계산을 통해 게이트로 초당 이동해야 하는 에너지의 양을 알 수 있으며, 이를 통해 드라이버가 게이트에 공급해야 하는 최대 전류를 파악할 수 있습니다.

IOLH - 최대 풀다운 전류

이것은 본질적으로 풀업 전류와 같으며, MOSFET이 전도를 멈추길 원할 때 게이트 용량을 배출하기 위한 것입니다. 계산에 너무 깊이 들어가고 싶지 않다면 풀업에 필요한 만큼의 풀다운 전류가 필요하다고 대략 가정할 수 있습니다. 특히 고주파 PWM을 사용하는 경우, 이 두 전류 값이 사용할 수 있는 게이트 드라이버를 결정하는 주요 요소가 될 수 있습니다.

큰 전류나 고전압 모터를 움직이기 위한 N-채널 MOSFET H-브리지를 구축하는 데 필요한 구성 요소를 선택하는 기본 사항입니다. 5암페어 12볼트 모터든 80암페어 200볼트 모터든 같은 선택이 적용됩니다. H-브리지 설계는 구성 요소의 등급만 다를 뿐 동일한 회로도가 될 것입니다.

구성 요소를 선택하는 것은 반복적인 과정임을 기억하세요. MOSFET을 선택한 후, 그것이 유일한 옵션이 아니라면 게이트 드라이버를 선택한 후에도 여전히 이상적인 선택인지 재평가해야 합니다. 마찬가지로, 제어 주파수에 대한 요구 사항이 변경되면 구성 요소 선택을 다시 검토해야 할 수도 있습니다. 기본적으로, 설계나 요구 사항에 어떤 변화가 있다면, 선택한 구성 요소가 여전히 최적인지 확인하기 위해 구성 요소 선택을 다시 검토하고 싶을 것입니다.

결정해야 할 사항이 많고 고려해야 할 복잡한 사양이 많아 보일 수 있습니다. 하지만, 이 기사의 시작 부분에 있는 H-브리지의 회로도를 다시 한번 보세요 – 꽤 간단하죠? 여기서의 대부분의 사양은 단지 상식적인 선택으로, 각 구성 요소가 부하가 요구하는 전류와 전압을 처리할 수 있도록 보장합니다. 결국, Octopart^®에서 몇 가지 필터만 적용하면 가능한 구성 요소 목록을 매우 쉽게 좁힐 수 있으며, 그중에서 가장 애플리케이션에 적합한 것을 선택할 수 있습니다.

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