FPGA 기반 전력제어 시스템 사용

EV 트랙션 제어 성능·정확도 향상

2016년 01월호 지면기사  /  글│벤 제페슨(Ben Jeppesen), Altera

FPGA는 고유의 병렬 아키텍처를 특징으로 다중의 복잡한 알고리즘을 동시에 처리할 수 있다는 점에서 VVC와 모터 제어같은 EV 구동 시스템 애플리케이션에 매우 적합하다.


FPGA(Field Programmable Gate Array)는 속도, 유연성, 설계 툴 측면에서 뛰어나 고성능 전력제어 시스템에 갈수록 사용이 늘고 있다. FPGA는 전기차 제어 시스템에 사용하기에 이상적이다. FPGA를 사용함으로써 통상적으로 가변전압제어(VVC) 또는 양방향 DC-DC 컨버터, 3위상 인버터, IPM(Interior Permanent Magnet) 모터 또는 제너레이터로 이뤄진 전기차 전력제어 디자인을 간소화할 수 있다. VVC 컨버터와 IPM 모터 제어 기능을 단일 디바이스로 통합함으로써 더욱 더 통합적인 제어 하드웨어를 설계할 수 있으며, 마이크로컨트롤러

유닛(MCU)으로부터 고속 제어 루프에 따른 처리 부담을 덜 수 있다.

최근에는 아날로그 제어가 전력 컨버터의 성능과 품질을 향상시키는 디지털 기법들에 자리를 내주고 있다. 현재 대부분 전력 전자장치는 MCU로 제어되고 있다. 이것은 이들 소자가 특성적으로 가격대가 낮고 아날로그-디지털 컨버터를 비롯한 다수의 주변장치들을 통합할 수 있기 때문이다. MCU는 통상적으로 C나 어셈블리 언어로 프로그램되며, MCU 프로세서의 능력 이내의 속도로 순차적으로 처리할 수 있는 알고리즘에 사용하기 적합하다. 그런데 이제 더 빠른 샘플 속도와 더 복잡한 알고리즘을 사용해야해 기존방법은 어려움에 직면하게 됐다.

바로 이점에서 FPGA를 사용한 병렬프로세싱이 해답을 제시한다. FPGA는 고유의 병렬 아키텍처를 특징으로 하고 다중의 복잡한 알고리즘을 동시에 처리할 수 있다는 점에서 VVC와 모터 제어같은 EV 구동 시스템 애플리케이션에 사용하기에 매우 적합하다. FPGA는 게이트들을 연결해서 곱셈기, 레지스터, 덧셈기, FIFO, 메모리-맵트레지스터(memory-mappedregisters) 등등의 기능을 구현하도록 프로그램할 수 있다. 이 작업을 하드웨어 기술 언어(HDL)를 사용해 할 수 있다. 그러면 HDL이 작업에 따라서 자원들을 배치하고 병렬 동작을 가능하게 한다.

 

그림 1은 2개의 개별적 모터 또는 제너레이터(MG)를 DC 링크를 통해 전기적으로 연결하고 있는 일반적인 하이브리드 아키텍처를 보여준다. DC 링크는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 하프브리지 및 부스트 인덕터로 이뤄진 VVC 또는 양방향 DC-DC 컨버터를 통해 250V 배터리로 연결된다. 이들 각각의 기능(MG와 VVC)으로 정교한 제어회로를 필요로 하며, 이것을 현재는 개별적 MCU들을 사용해 구현하고 있다. FPGA 기술은 단일 프로세서로 인한 병목문제를 일으키지 않으면서 단일 디바이스로 다중 제어 기능을 병렬로 처리할 수 있다.

그림 2는 MG와 VVC(DC-DC) 제어기능을 단일 FPGA로 통합한 새로운 아키텍처를 보여준다. 이 새로운 아키텍처는 부품 수를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 하드웨어와 펌웨어 인터페이스 수를 줄일 수 있다. 또한 기존 아키텍처로는 할 수 없었던 전체 시스템 시뮬레이션과 자동 코드 생성이 가능하다.

VVC 컨버터는 배터리와 MG 인버터사이에 양방향 전력 흐름을 제공한다. 표준 디자인은 IGBT 하프브리지에 200 mH 인덕터를 사용하는 것으로서, 하단 트랜지스터를 스위칭해서 배터리로부터 모터 인버터로 전압을 “부스트(승압)”하고, 반대로 배터리를 충전할 때는 상단 트랜지스터를 스위칭해 모터 인버터에서 배터리로 전압을 “벅(감압)”한다. 배터리는 250V이고, VVC는 50 kW 피크로 최대 650V를 공급할 수 있다.

전력제어 시스템의 최근 경향은 갈수록 더 빠른 스위칭을 사용하는 것이다.

그럼으로써 동일한 전압 및 전류 리플을 달성하기 위해 더 낮은 인덕턴스 및 커패시턴스 값을 사용할 수 있다. 그런데 더 빠른 스위칭을 사용하기 위해 한 가지 장애물은 트랜지스터 스위칭 손실이 높아진다는 것이다. 스위칭 손실을 낮추도록 설계된 IGBT나 MOSFET을 사용함으로써 이러한 손실을 완화할 수 있다. 하지만 이렇게 하면 통상적으로 트랜지스터 손실을 다소 증가시킨다. 스위칭 손실을 크게 낮출 수 있는 SiC MOSFET이 속속 등장하고 있어 이러한 문제를 해결할 수 있을 것으로 보인다. SiC는 여전히 비싼 가격이 문제인데, 가격대가 계속 낮아지고 있어 결국에는 SiC 디바이스가 표준 실리콘 제품과 경쟁할 수 있을 전망이다.

 

고주파 스위칭의 또 다른 과제는 허용할 수 있는 전류제어를 달성하기 위해 더 높은 대역폭을 필요로 한다는 것이다.

이렇게 대역폭이 높아지는 것은 MCU 기반 솔루션에는 어려운 과제가 된다. 특히 한 프로세서로 여러 기능을 구현하고자 할 때 더더욱 그렇다. FPGA 제어는 단일 디바이스로 여러 제어 기능을 구현하더라도 이러한 애플리케이션에 필요로 하는 대역폭을 손쉽게 제공할 수 있다. 예를들어 스위칭 주파수를 5배 높이면 동일한 리플 전류 및 전압을 달성하기 위해 인덕턴스 및 커패시턴스 값을 그에 비례하게 낮출 수 있다. 표 1에서는 기존의 방법과 제안기법의 값들을 비교하고 있다.  

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