자동차 바디 전장 분야의 DC 모터 동향

DC MOTORS TRENDS IN AUTOMOTIVE BODY ELECTRONICS

2019년 05월호 지면기사  /  글│ 레오나르도 아가티노 미콜리(Leonardo Agatino MICCOLI), ST마이크로일렉트로닉스

DC MOTORS TRENDS IN AUTOMOTIVE BODY ELECTRONICS
자동차 바디 전장 분야의 DC 모터 동향

 
차량용 DC 모터 시장 동향을 분석하고 진단 기능, 최적화된 스위칭 시간, 무게 절감 그리고 무엇보다도 신뢰성 향상 측면에서 SSD(Solid State Driver)가 선호도 높은 디자인 아키텍처를 어떠한 방식으로 제시하는지를 설명한다. 특히, 차량용 DC 모터 제어를 위해 특수 설계된 완전 IC 제품으로 ST의 새로운 VIPower™ M0-7 H-브리지 제품군이 가장 탁월한 선택이 될 수 있는 이유를 살펴보고자 한다.

글│ 레오나르도 아가티노 미콜리(Leonardo Agatino MICCOLI),
       ST마이크로일렉트로닉스 오디오 및 바디 부문 VIPower 및 조명 사업부 테크니컬 마케팅 수석 엔지니어




동차의 자동화, 안전성 강화, 전력 최적화, 고품질에 대한 요구가 늘어나면서 자동차 시스템의 전자장치 비중은 지속적으로 증가하고 있다. 이러한 환경에 따라 DC 모터를 사용하는 애플리케이션도 꾸준히 증가하는 추세다. 이 글에서는 차량용 DC 모터의 시장 동향을 분석하고 진단 기능, 최적화된 스위칭 시간, 무게 절감 그리고 무엇보다도 신뢰성 향상의 측면에서 SSD(Solid State Driver)가 선호도 높은 디자인 아키텍처를 어떠한 방식으로 제시하는지를 설명한다. 특히, 차량용 DC 모터 제어를 위해 특수 설계된 완전 IC 제품으로 ST의 새로운 VIPower™ M0-7 H-브리지 제품군이 가장 탁월한 선택이 될 수 있는 이유를 살펴보고자 한다.


시장 동향

차량용 DC 모터 시스템의 연간 수요 성장률은 향후 5년간 평균 3.1%로 꾸준히 증가할 것으로 전망된다. 자동차 바디는 도어 록, 전동 미러, 좌석 조절, 워셔 펌프, 와이퍼, 윈도우 리프트, 선루프, 슬라이딩 도어와 같은 전통적인 애플리케이션으로 유지될 뿐만 아니라, 최근에는 헤드업 디스플레이, 전개식 도어 핸들, 파워 트렁크 리프트, 전자식 변속기, EV 록 충전기 등 새롭고 매력적인 애플리케이션들이 출시되고 있다.
이러한 시나리오에 따르면, 전 세계적으로 바디 분야에서의 차량용 DC 모터 수요가 2020년에는 20억 개에 이를 것으로 예상된다. 다음 그림(우측 상단)은 각 애플리케이션의 점유율을 나타내며, 이 모든 애플리케이션의 전력 범위는 30 W부터 200 W에 이른다.



바디 애플리케이션 분야 DC 모터 점유율: 릴레이 vs. 실리콘


전통적으로 자동차 업계는 릴레이(Relay)를 DC 모터를 구동하는 쉽고 저렴한 솔루션으로 간주했지만 이제 자동차 제조업체들은 SSD를 새로운 애플리케이션 설계 분야에서 보다 적절한 옵션으로 보고 있다. SSD는 높은 신뢰성 품질과 향상된 진단 기능이 가능해 가변 부하 프로파일(파워 트렁크 리프트 게이트 등)을 구동하거나 동작(윈도 리프트 또는 좌석 조절 등)을 매끄럽게 제어, 또는 릴레이 스위칭 잡음을 제거하거나 고급스러운 느낌을 증가시키는 등의 혁신적 기능을 간편하게 구현해준다.

또 전 세계적으로 자동차로 인한 오염 물질과 CO₂ 배출을 줄이기 위한 규제들이 새롭게 도입되고 있으며, 특히 전력 부하 공급 분야에서 자동차 아키텍처의 변화와 보다 효율적인 전자장치의 채택이 이루어지고 있다. 새로운 표준들은 대부분의 파워트레인 시스템에 영향을 미치지만, BCM(Body Control Module)도 어느 정도 기여하고 있다. 그 결과, SSD로 구동되는 DC 모터는 2020년부터 2025년까지 연평균 6.7%의 성장률로 성장하면서 릴레이의 시장 점유율을 잠식할 것으로 전망된다.

여기에서 ST의 VIPower™ M0-7 H-브리지 제품군은 자동차 애플리케이션의 모터 제어용으로 동급 최고의 기능을 보여준다. M0-7 H-브리지 시리즈는 로직 기능과 전원 구조를 단일 패키지로 통합함으로써, 단순하게 구동만 하는 것이 아니라 칩 내부의 지능적인 보호 기능들을 통해 고급 진단 및 보호, 부품 수 절감, 신뢰성 향상, PCB 면적 절감 효과를 제공한다.





신뢰성 향상으로 작동 수명 10배 연장

릴레이 컨택트는 서로 접촉해 회로 전류가 흐를 수 있도록 하는 전기 전도성 금속 조각을 뜻한다. 기계식 스위칭 컨택트의 대표적 문제는 최종 사용자에게 (특히 스위칭 주파수 기반 애플리케이션에서) 불쾌한 가청 잡음과 기계적 진동을 느끼게 한다는 점이다. 릴레이 스위칭 시 아크 잡음이 발생해 전자기 간섭(EMI)도 일으킬 수 있다. 릴레이 스위칭 잡음을 줄이려면 RC 스너버(RC Snubber)나 플라이휠 다이오드(Flywheel Diode)와 같은 부품이 추가로 필요한데, 이 추가 부품을 사용하면 최종적인 아키텍처의 복잡성이 증가하게 되어 좋지 않다. 중장기적으로는 스위칭 시 발생하는 전기-기계 스트레스로 인해 접촉 저항과 성능이 저하돼 릴레이를 사용할 수 없게 되고 수명이 단축된다. 릴레이 성능이 저하되면 신뢰성을 떨어뜨리게 된다.


솔리드 스테이트 스위치는 기계식 컨택트를 전력 트랜지스터로 대체하기 때문에 어떠한 회전 부품도 사용하지 않는다. 따라서 아크나 자기장, 가청 잡음 같은 문제도 걱정할 필요가 없다. 입력 제어는 대부분의 IC 로직 제품군과 호환 가능해 추가로 버퍼나 드라이버, 증폭기가 필요하지 않아 PCB 복잡성과 면적을 획기적으로 줄여준다. 결과적으로 신뢰성 수준을 높이고 10배 더 향상된 스위칭 시간이 가능하다.


극소형 전력 패키지로 애플리케이션 면적 절감

자율주행을 향해 자동차 시장이 발전함에 따라 갈수록 더 많은 센서와 액추에이터가 필요하게 되었다. 이처럼 더 방대한 수의 디바이스를 여전히 동일한 컴파트먼트 안에 집어넣어야 하기 때문에 공간상의 제약이 점차 더 중요한 문제가 되고 있다. H-브리지는 양방향 DC 모터를 구동하기 위해 주로 사용되는 토폴로지로 구성되어 있다. 브리지 스위치를 교대로 스위칭해 모터 방향을 제어하거나 모터를 정지시킬 수 있다. H-브리지 아키텍처는 릴레이를 사용해 간편하게 구현할 수 있지만, SSD를 사용하면 보드 공간을 대폭 절약할 수 있다.


통상적으로 릴레이 풋프린트 면적은 약 250 ㎟이므로, 릴레이를 사용해 H-브리지 아키텍처를 구현하려면 최소 500 ㎟의 보드 면적이 필요하다. 여기에 고전압 트랜션트 억제, 시스템 진단 및 보호 기능을 구현하기 위해서는 버퍼, 연산 증폭기, 센서와 같은 디스크리트 회로가 추가로 필요하다. 추가 부품은 최종적인 보드 크기와 복잡성을 엄청나게 증가시키며 애플리케이션 신뢰성에도 부정적인 영향을 미치게 된다. 마지막으로는 보드 커버와 인클로저를 설계할 때 릴레이의 높이와 통상적으로 17 ㎜의 수직 이격 거리도 고려해야 한다.

ST의 H-브리지 제품군은 VIPower™ M0-7 기술의 탁월한 축소 성능 덕분에 SO-16N 및 PowerSSO-36 등의 첨단 극소형 전력 패키지로 전체적인 모터 구동 아키텍처를 구현할 수 있다. 이로써 풋프린트가 각각 60 ㎟ 및 106 ㎟로 줄게 되고 두께는 2.5 ㎜ 미만이 되어 PCB 크기를 축소하고 시스템 무게를 줄이게 된다. 또한, VIPower™ M0-7 H-브리지는 친환경 제품 포트폴리오로서 무연 패키지 제품을 포함하고 있어 열 성능이 뛰어나다.




스위칭 시간과 PWM 제어

H-브리지 아키텍처에서는 특히 스위칭 시에 배터리 라인과 접지 사이에 불필요한 단락 회로가 발생하지 않도록 주의해야 한다. 이러한 상황을 동적 슛 스루(Shoot Through)라고 한다. 이 슛 스루가 발생하면 배터리 라인에 추가 잡음이 발생하고 전력도 추가로 소모하므로 시스템 효율이 떨어지게 된다. H-브리지를 PWM 신호와 같은 고속 스위칭 제어를 사용해 구동할 경우에는 이 문제가 더 심해진다.

PWM 입력 신호는 일반적으로 H-브리지 아키텍처를 제어하는데 사용하며, 실제로 듀티 사이클을 다양화하면서 모터 속도와 토크(torque)를 조절할 수 있어 다음과 같이 첨단 기능들을 구현해준다.

- 끼임 방지 기능
-시작 및 정지 시 매끄러운 움직임으로 품질 향상감 증진
-스톨 조건 제어
-배터리 전압에 상관없는 모터 속도 레귤레이션
- 스타트업 쇄도 전류 감소


통상적인 DC 모터 프로파일은 스타트업 단계에서 쇄도 전류가 평상시 전류보다 10~12배 더 클 수 있다. 모든 전기 부품들은 단시간에 이처럼 높은 전류를 견딜 수 있도록 설계해야 하며, 케이블 사이즈, PCB 면적, 드라이버 용량도 최종 애플리케이션에 지속적으로 영향을 미치게 된다. 실제로 릴레이 데이터 시트는 저항성 DC 부하에 대한 최대 접촉 정격만을 표시하고 있지만, 높은 인덕티브 또는 커패시티브 부하로는 이 정격이 크게 감소한다.

DC 모터를 PWM 신호를 사용해 구동하면 토크를 제어하면서 모터를 매끄럽게 스타트업할 수 있다. 쇄도 전류는 모터 활성 단계를 연장하면서 감소하게 된다. PWM 신호로 DC 모터를 구동함으로써 전력 소모를 최적화하고 케이블 사이즈를 줄여 전체 무게를 줄일 수 있다.

릴레이는 고속 출력 스위칭이 필요한 시스템에는 적합하지 않으며, 실제로 기계적 회전에 의해 5 ms에서 15 ms까지 스위칭 시간이 제한된다. 또한, 원치 않는 교차 전도를 방지하려면 MCU가 적합한 로직 보호 기능을 구현해야 한다.
VIPower™ M0-7 H-브리지 제품군은 고속 스위칭 시간(1 ms 정격)과 최대 20 KHz까지 스위칭 주파수를 보장한다. 스위칭 프로파일은 EMI와 스위칭 손실을 최적화하도록 특수 설계되었다. 칩에는 특별 보호 기능들도 내장돼 동적 및 정적 교차 전도 문제를 방지한다. 결과적으로 VNH7 제품군은 시스템 효율성을 최적화하도록 설계되었다.


DC 모터 제어용 VIPower™ M0-7 H-브리지 제품군

VIPower™ M0-7 H-브리지 제품군은 차량용 DC 모터 구동에 매우 적합한 선택이라고 볼 수 있다. 향상된 신뢰성, 시스템 효율성, 고급감의 이점에 대한 시장의 증가하는 요구를 충족시키기 때문이다. M0-7 H-브리지 제품군은 하이브리드 방식을 사용하여 단일 패키지에 로직 기능과 전원 구조를 통합함으로써 완전 통합 및 보호형 회로의 포트폴리오를 완벽하게 제공한다. 다양한 온-상태 저항(8 mW에서 최대 100 mW까지)과 극소형 전력 패키지로 제공되므로 유연한 구동 및 제어를 보장하고 다양한 부하 조건(소량부터 최대 200 W까지)을 지원한다.

저전력 및 중전력 디바이스가 모든 로직 기능과 전체 전원 스테이지(상측 및 하측 전력 MOS)를 통합한다면, 고전력 제품인 VNHD7008AY와 VNHD7012AY는 상측 전력 MOS와 하측 게이트 드라이버를 비롯해 다양한 아키텍처를 가지고 있다. 따라서 H-브리지 아키텍처를 달성하기 위해서는 외부적인 하측 전력 MOS(ST의 STL76DN4LF7AG 권장)가 필요하다.

20 KHz PWM 속도 제어와 진단 메커니즘을 모두 갖춰 하이엔드 자동차 애플리케이션에 사용하는 데 이상적인 제품이다. 대기 모드에서 전력 소모가 극히 낮고(최대 3 mA) 전이 시 최적화된 스위칭 프로파일을 사용함으로써, 보드 상으로 전자 부품 수가 늘어나도 모듈의 전력 소모를 낮게 유지하게 된다. 첨단 진단 기능(Vcc 전압, 케이스 온도, 전류 부하 모니터링)과 보호 기능(과전압, 단락, 고온 및 교차 전도 보호)이 통합되어 전원 스테이지와 부하를 모두 보호하면서 최종적인 시스템 효율을 유지하고 디바이스가 항상 안전 동작 범위 이내로 작동하도록 한다. 또한, 오프 상태 진단 기능이 있기 때문에 대기 시 모터 상태를 모니터링하고 턴온할 때 발생 가능한 손상을 방지할 수 있다.

바디 제어 모듈에 내장된 VIPower™ M0-7 지능형 전력 스위치와 H-브리지 드라이버를 사용하면 전력 소모, PCB 면적, 와이어를 크게 줄이게 된다. 실질적으로 이는 시스템 신뢰성을 높이고 차량 한 대당 최대 50킬로그램까지 무게를 줄여주며, ICE 자동차의 경우 CO₂ 배출을 줄여(추정치는 km 당 최대 3.5 g) 환경 보호에 기여하고 BEV 자동차는 배터리를 최적화하고 자율성을 높일 수 있다.

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