가전제품을 위한 BLDC 모터에서의 새로운 도전

AC 모터에서 BLDC 모터로 전환하기 위해서 해결해야 할 과제는 무엇일까?

많은 가전 제품에서 큰 부분을 차지해 왔던 AC 모터는 전력효율 등의 문제로 인해 채용의 우선순위에서 많이 밀려나 있는 것이 현실이다. 대부분의 경제형 선풍기 제품들 에서 조차 BLDC 모터 채용이 일반화되고 있는 실정이다. 점차 규제가 강화되고 있는 전 세계적인 에너지 효율 정책들도 큰 영향을 미치고 있다.

그러나 단순하게 AC 모터를 BLDC 모터로 변경해 채용한다고 해서 AC 모터의 문제들이 해결되는 것은 아니다. BLDC 모터의 가장 큰 이점은 전력 효율을 높일 수 있다는 것이다. 그러나 보드 크기가 증가하고, 시스템 비용이 늘어난다는 문제를 우선 해결해야 한다. 또한 개발 및 설계 시간의 증가도 당장 부딪히는 문제다.

여기에 더해서 최근의 가전 제품들은 소음에 민감한 소비자 개개인들의 감성에도 어필해야 하는 과제를 안고 있다. 가정에서 사용하는 가전제품의 수량이 늘어남에 따라서 개개의 제품에서는 큰 문제가 되지 않았던 것들이, 이제는 문제의 중심으로 옮아가고 있는 것이다. 따라서 소비자 만족을 위해서는 지금보다 더 소음을 줄이는 것이 요구된다. 음향적으로는 작은 차이에 불과할 수 있지만, 가청 소음으로는 큰 차이를 보일 수 있기 때문이다.

시장 동향 조사 기관인 옴디아(Omdia)는 “전력 효율 및 자동화 성능은 물론 소음이 더 적은 모터에 대한 수요가 높아지면서 실시간 모터 제어의 필요성이 높아졌다. 특히, AC 인덕션에서 BLDC 모터로 전환하는 산업 시스템이 늘어나고 있다. 이 모터들은 전력 효율성은 높으면서도 높은 성능을 발휘하기 위해 복잡한 하드웨어와 최적화된 소프트웨어 설계를 필요로 한다.”고 진단했다. 차세대 산업용 시스템을 위해서는 더 빠른 모터 응답 속도를 달성하면서 전반적인 설계 시간을 단축하도록 하는 것이 핵심이라는 분석이다.

이러한 엔지니어들의 요구를 충족하는 모터 구동 소프트웨어가 불필요한 센서리스 FOC 및 사다리꼴 제어를 사용한 70W BLDC 모터 드라이버를 TI(텍사스인스트루먼트)가 출시했다. 이 제품은 실시간 제어 기능을 통합함으로써 BLDC 모터를 10분 안에 가동할 수 있으며, 모터 소음을 낮추고 시스템 크기를 70%까지 축소할 수 있다.

이로써 주요 가전이나 소형 가전을 포함한 다양한 산업용 시스템이나 인공 호흡기와 CPAP(지속기도양압기) 같은 의료용 애플리케이션을 설계할 때, 수 개월의 설계 시간을 단축할 수 있게 되었다. 또한, 통합된 실시간 제어 기능과 파워 금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET) 를 포함한 최대 18개의 개별 구성 요소를 갖춘 이 디바이스는 시스템 응답 시간을 단축하는 동시에 보드 공간을 최대 70%까지 줄이며 동급 최고의 저소음 성능을 제공한다.

모터 구동 소프트웨어가 불필요한 센서리스 모터 제어를 사용하여 설계 시간 단축

MCF8316A와 MCT8316A BLDC 모터 드라이버는 소프트웨어를 개발, 유지 보수할 필요없는 고유한 정류 제어 알고리즘이 포함되어 있어 수개월의 개발 시간을 단축할 수 있다. 이러한 알고리즘은 높은 수준의 통합과 함께 모터 드라이버가 모터 결함 감지와 보호 메커니즘 같은 다수의 기능을 통합함으로써 시스템 신뢰성을 높인다. 또한, 이 모터 드라이버 제품들은 센서리스 기술을 적용해서 회전자 위치를 계산하므로 외부 홀 센서 필요성을 제거하고 이를 통해 시스템 비용을 낮추고 신뢰성을 높인다.

MCF8316A 센서리스 FOC(field-oriented control) 모터 드라이버는 지능적으로 모터 파라미터 를 추출함으로써, 설계자가 모터 제조 변형에 상관없이 일관된 시스템 성능을 제공하면서 모터를 빠르게 튜닝할 수 있도록 한다. 또한, MCT8316A 센서리스 사다리꼴 제어 모터 드라이버는 설계자가 5개 하드웨어 핀만을 사용해서 모터를 튜닝할 수 있으므로 마이크로컨트롤러(MCU) 인터페이스의 필요성을 제거하고 간소화할 수 있다.

MCF8316A와 MCT8316A BLDC 모터 드라이버는 엔지니어가 공기청정기, 냉장고, 세탁기 및 선풍기와 같은 응용 분야에서 업계 최고의 저소음 성능을 달성할 수 있도록 첨단 실시간 제어 기능을 제공한다. 특히, MCF8316A는 설계자가 모터 저소음 성능을 최적화할 수 있도록 전류 왜곡을 보상하는 특허받은 정밀한 자동 데드 타임 보상 기술이 포함되어 있다. MCT8316A는 설계자가 가변적 사다리꼴 제어 기법을 사용해서 모터 소음을 낮출 수 있다는 이점이 있다.

실시간 제어를 통한 빠른 시스템 응답

MCT8316A 센서리스 사다리꼴 제어 모터 드라이버는 3.5kHz의 최대 모터 속도를 달성할 수 있다. 이는 어떤 다른 무선 센서리스 모터 드라이버보다 빠른 속도로, 신속하고 정밀한 모터 제어를 필요로 하는 로봇 청소기 같은 애플리케이션의 시스템 응답 속도를 높일 수 있다.

MCT8316A와 MCF8316A는 업계 최초로 모터를 능동적으로 감속할 수 있는 빠르고 제어된 방식을 통해 엔지니어가 기존의 모터 제어 기술보다 50% 더 빨리 모터를 정지시킬 수 있도록 지원한다. 또한, 이 디바이스들은 모터가 정지할 때 에너지가 임의로 다시 레일로 유입되지 않도록 하므로 시스템 손상을 방지할 수 있다.

MCF8316A와 MCT8316A를 사용함으로써 보드 공간을 70%까지 축소하고 모터 시스템을 위한 총비용을 절감할 수 있다. 이 디바이스들은 3개의 게이트 드라이버와 온 상태 저항(R_DS(on))이 50mΩ인 6개의 하이 사이드와 로우 사이드 MOSFET을 통합했으며, 12V 및 24V 시스템으로 8A의 피크 전류 로 최대 70W 전력 달성이 가능한 업계 최초의 BLDC 모터 드라이버다.

한편, TI는 TI Live 세션에서 MCF8316A and MCT8316A를 시연할 예정이다. 9월 27일부터 29일까지 예정되어 있는 Tech Exchange 버추얼 이벤트에서 TI의 전문가들이 실시간 제어, 비전 센싱, 차량과 전력 관리 디자인 트렌드의 기본 내용과 라운드테이블 토론 세션, 기술 세션 및 데모에 대해 소개할 예정이다. 자세한 내용은 ti.com/techexchange에서 확인할 수 있다.