가변속 모터 제어로 가정내 에너지 절약 실현

<니케이 일렉트로닉스 아시아-코리아>  최근 에너지 및 환경에 대한 우려와 새로운 환경 규제지침 준수 문제로 에너지절약 전기제품의 수요가 증가하고 있다. 전기제품 제조업체들이 효율성 증대 및 에너지 절약을 달성하는데 있어서 겪고 있는 가장 큰 어려움은 고효율 가변속 모터 제어기술을 개발하는 것이다.
AC 유도모터는 세탁기, 에어컨 컴프레서 시스템, 팬 등 거의 모든 전기제품에 있어서 핵심적인 위치를 차지한다. 하지만 기존 가전제품에 사용되고 있는 모터는 전기¡P기계적으로 제어되기 때문에 아무리 최신 솔루션이라고 할지라도 에너지 효율성이 그리 뛰어나지 않다. 모터는 고정 속도로 가동되고, 원하는 결과를 달성하기 위해 시동과 정지를 자주 반복한다. 그 과정에서 사용되는 전기의 약 50%가 낭비되고 있다.

가변속 PMSM
이에 반해 첨단 모터 제어기술을 이용한 가전제품은 고성능을 구현하고 에너지 소모를 줄이도록 설계되어 있다. 이 제어기술로 전체 시스템 비용을 추가하지 않고도 개발 기간을 단축하고 설계 위험을 줄일 수가 있는 것이다.
가변속PMSM(Permanent Magnet Synchronous Motor) 기술은 AC유도모터의 구동 비용에 비해 15% 이상 절약할 수 있기 때문에 에너지 효율 면에서 AC유도모터의 훌륭한 대안이 될 수 있다. 인터내셔널 렉티파이어(IR)는 가변속 PMSM을 효과적으로 이용할 수 있도록 하기 위해 특별히 모터제어 애플리케이션에 맞춘 통합 설계 플랫폼인 \'iMOTION\'을 출시했다. 이 iMOTION 플랫폼을 이용하면 구동제어 설계를 간소화하고, 이로 인해 에너지 효율적이고 비용대비 효과적인 솔루션을 보다 빨리 출시할 수 있을 것이다.
iMOTION 설계 플랫폼은 디지털 컨트롤러, 아날로그 인터페이스, 전원 장치 및 알고리즘, 개발 소프트웨어 및 그 밖에 PMSM을 사용하는 센서리스(Sensorless) 가변속 모터제어 서브시스템용 설계 및 평가툴로 구성된다(그림 참조). iMOTION 플랫폼은 센서리스 정현파 전류제어가 가능하기 때문에 홀 효과(Hall Effect) 센서가 필요 없으며, 확장된 속도 범위에서 원활한 토크 출력을 제공할 수 있다.

모터 제어 IC
최초로 선보이는 iMOTION 제품들은 가정에서 전기에너지를 가장 많이 소모하는 에어컨 시장을 겨냥하고 있다.
에어컨용 플랫폼은 팬과 컴프레서에서 IPMSM(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor)용 특허 알고리즘을 활용하며 PFC(Power Factor Correction) 기능이 있다. 이는 IR의 특정 애플리케이션용 HVIC 및 디스크리트 트렌치 IGBT와 함께 사용되어 95%의 컨버터 효율을 제공한다.
iMOTION의 디지털 블록은 디지털 컨트롤 IC인 IRMCF3xx 제품군으로 이뤄진다. 이 IC는 다음과 같은 3가지 주요 기능을 제공한다; 1) IR의 특허 MCE(Motion Control Engine) 기능: 하드웨어에서 복잡한 센서리스 PMSM 알고리즘을 구현함으로써 개발 과정에서 소프트웨어 코딩이 필요 없다. 2) 임베디드 ASE(Analog Signal Engine): 센서리스 단일 전류 션트(Shunt) 제어를 위한 모든 신호 제어 및 변환 회로 통합. 3) 약 11£g s만에 센서리스 FOC(Field Oriented Control) 알고리즘을 실행할 수 있는 모션 컨트롤 엔진: 이 기능은 PFC 회로뿐만 아니라 팬과 컴프레서를 동시 제어할 수 있는 중요한 기능이다.
IRMCF311/312는 또한 팬과 컴프레서 모터를 제어하는 MCE 엔진과는 별도로 에어컨 시스템 동작을 정의하는 애플리케이션 계층 프로세서를 포함한다.
iMOTION 플랫폼의 아날로그 블록은 3상 아날로그 드라이버 및 보호 IC인 IRS2136D제품군으로 구성된다. 이 IC에는 내장 부트스트랩 다이오드와 3개의 독립적인 600V 하프 브리지 인버터 게이트 드라이버가 있다. 보호 기능에는 자동 오류해제 기능인 인버터 과전류 차단 및 UVLO(Under-Voltage Lockout)가 있다.
이 아날로그 게이트 드라이버는 하이/로우 채널용 전파 지연 및 부동시간 삽입 등 매개변수 매칭과 제품 수명기간 동안에 매개변수 안정성을 제공한다. 전력 및 신호 접지 연결은 개별적으로 이루어져 있기 때문에 전류 감지를 위해 로우사이드 IGBT에서의 단일 DC 라인 구성이 가능하다.

키이쓰 챈(Keith Chan)
* IR 에너지절약사업그룹 디지털 컨트롤 IC & 모션 파워 모듈 설계 센터의 토시오 타카하시(Toshio Takahashi) 디렉터와의 이메일 인터뷰를 통해 작성함