속도 조절 쉽고 토크 높은 BLDC 모터 사용 증가
모터 컨트롤 PCB 크기 기존 30%까지 축소 가능

다이슨 무선청소기가 청소기 시장의 판도를 바꾼 지 벌써 여러 해다. 유선청소기보다 흡입력이 약해 보조적으로만 사용되던 기존의 무선청소기들과 달리 다이슨의 무선청소기는 강력한 흡입력을 앞세워 특히 남성 소비자들의 마음을 사로잡았다. 다이슨의 성공에 자극 받은 세계 유수의 가전 업체들이 무선청소기 시장에 뛰어든 건 두말할 필요도 없다. LG의 ‘코드제로’와 삼성의 ‘파워건’이 대표적인 제품들이다. 다이슨은 어떻게 무선청소기 시장의 애플이 되었을까?

바로 모터의 발전 때문이다. 속도를 자유자재로 조절할 수 있는 강한 모터가 소형가전에 탑재될 만큼 작아져 제조사가 원하는 성능을 구현할 수 있게 된 것이다. 다이슨의 무선청소기가 바로 모터의 소형화와 강력함을 상징하는 대표적인 제품이다. 다이슨의 헤어드라이어 역시 시장에서 큰 호응을 얻고 있다.

모터는 가전기기의 부품 중 하나일 뿐이지만, 에너지 효율, 성능, 소음 등에 영향을 미치는 핵심 부품이다. 모터가 없는 가전제품은 극히 드물다. 모터는 가전기기가 소모하는 전력량의 대부분을 차지한다. 냉장고와 에어컨이 소비하는 전력 가운데 70~80%는 컴프레서의 모터가 사용한다. 세탁기의 경우 모터가 차지하는 비중이 40%~60% 정도다.

다양한 가전기기에 들어가는 만큼 모터의 종류도 다양하다. AC 모터는 교류 전원을 사용하는 전기 모터로, 효율이 좋고 수명이 길다는 장점을 갖고 있다. 그러나 속도와 방향 제어가 까다로운 단점이 있다. 직류 전원을 사용하는 DC 모터는 반대로 속도와 방향 제어가 쉽다. 근래에는 마모성 부품인 브러시를 없앤 BLDC(BrushLess DC)가 널리 보급되면서 AC 모터보다 수명이 짧다는 단점도 보완되었다.

BLDC 모터의 장점은 또 있다. 우선 모터 내부에 기계적인 마찰이 없어 소음이 적다. 정류자와 브러시가 없기 때문인데, 따라서 스파크도 없고 외부로부터 완벽히 밀폐되어 이물질이 들어가지 않아 안전하다. 또 속도 조절이 쉽고 토크가 높아 에너지 효율이 높으며, 기존 DC 모터보다 발열이 낮아 연속 사용에 무난하다. 다이슨의 헤어드라이어는 BLDC 모터의 낮은 발열 특성을 이용해 타사 제품보다 10도나 낮은 냉풍 기능으로 많은 여성 소비자들에게 어필하고 있다.
BLDC 모터를 효과적으로 사용하기 위해 정속이 아닌 가변속 드라이브 적용 비율이 늘어나고 있다. e4ds에서 진행한 설문조사에 의하면 응답자의 94.2%가 앞으로 모터를 사용하는 다양한 기기에서 BLDC 및 인버터 적용이 늘어날 것이라고 답했다.

가변속 드라이브를 구현하기 위해서는 인버터 단을 구현하기 위한 파워 반도체 스위치, 게이트 드라이버 IC, 센서 그리고 역률 규제 대응을 위한 PFC 단에는 전력 반도체 스위치, 게이트 드라이버 IC가 필요하며 모터 제어를 위한 MCU 및 제어 알고리즘이 필요하다.

e4ds에서는 지난 8월 17일, 인피니언의 iMOTION을 활용한 가변속 드라이브에 최적화 된 모터 컨트롤 솔루션 웨비나를 개최했다. iMOTION은 모터 구동에 최적화된 솔루션으로 2006년에 출시된 이래 꾸준히 발전하면서 30개 이상의 제품이 다양한 가전기기에 적용됐다. iMOTION은 모션 컨트롤 엔진 및 인버터 구현에 필요한 하드웨어로 구성되어 있다. 고객사에 모터 구동을 위한 종합 솔루션을 제공하여 시스템 개발 기간을 단축한다. 이를 통해 시스템 코스 단축 및 시장 출시 기간을 단축할 수 있다.
고객사의 니즈에 맞춘 다양한 iMOTION 제품
iMOTION 제품은 크게 3개로 분류할 수 있다. 첫번째는 모션 컨트롤 엔진 및 별도의 Cortex-M0가 내장된 ‘iMOTION 컨트롤러’다. 두번째는 iMOTION 컨트롤에 게이트 드라이버 IC가 포함된 ‘iMOTION 스마트 드라이버’다 세번째는 ‘iMOTION 스마트 드라이버’에 파워 소자까지 결합된 ‘iMOTION 스마트 IPM(Intelligent Power Module)’이다.

컨트롤러에는 검증된 모션 컨트롤 엔진이 탑재되어 있으며 모터 구동을 위한 별도의 소프트웨어 코딩이 필요치 않다. 센서 및 센서리스 두가지 타입을 모두 지원하며, PFC의 경우 부스트 및 토템폴 PFC가 가능하다. 또한 별도로 모터 구동 이외의 고객사 어플리케이션을 구현하기 위한 Cortex-M0 옵션이 가능하다.

스마트 드라이버는 스마트 컨트롤러에 게이트 드라이버 IC가 추가된 버전으로 파워 블록에 다양한 디스크리트 제품 적용이 가능하다. 스마트 드라이버는 2가지 버전을 제공한다. A-버전은 고객사의 코드를 구현할 수 있으며 높은 유연성을 제공한다. T-버전은 인피니언의 모션 컨트롤 엔진이 삽입되어 있다. 고객사에서 별도의 코드구현 없이 모션 컨트롤 제어가 가능하다.

스마트 IPM은 모션 컨트롤러, 게이트 드라이버 IC, 파워 소자가 하나의 패키지에 모두 구현되어 있다. 역시 A나 T-버전 선택이 가능하다. 스마트 IPM을 사용하면 PCB 크기를 최대 30%까지 줄일 수 있다.
iMOTION 2세대 제품은 검증된 모션 컨트롤 엔진 2.0이 탑재되어 있다. 클래스 B 인증이 되어 있어 유럽 진출 시 별도의 인증이 필요 없다. 해당 웨비나에서는 자동차 전장에도 이 인증이 유효하냐는 질문이 많았는데, 자동차 전장은 다른 솔루션을 사용해야 한다.

스마트 IPM의 경우 앞서 설명했듯이 게이트 드라이버 IC와 파워 소자가 하나의 패키징에 집적되어 있다. 또한 인피니언에서 무료로 제공하는 MCE 위자드와 디자이너 소프트웨어에 모터의 사양을 입력하는 것만으로도 손쉽게 가변속 드라이브를 구현할 수 있다. 추가적으로 고객사 별도의 코드를 구현하기 위한 Cortex-M0 옵션이 준비되어 있다.

모션 컨트롤 엔진 자체적으로는 다양한 센서리스 FOC의 경우 다양한 애플리케이션에 사용될 수 있으며 여러 보호 기능을 포함하고 있다. 그리고 센서 타입의 아날로그 및 디지털 홀 센서를 제공한다. Cortex-M0로 고객의 코드 구현 가능하며. 스크립팅 기능으로 간단한 알고리즘 제어도 가능하다. 내장된 PFC 컨트롤 알고리즘은 고속의 싱글 부스트 및 토템풀 PFC를 지원한다.

IPM은 가변속 드라이버 중에서 인버터 스테이지를 담당한다. IPM은 인버터 구현에 필요한 각종 부품을 하나의 모듈로 만든 제품으로, 개발 기간 단축, 조립 공정 및 제품 수급 채널 간소화에 장점이 있다. 또한 내장된 온도계를 사용해 정확한 파워 소자의 온도를 실시간 측정하여 온도로 인한 손상을 방지할 수 있다.
인피니언은 고객사의 여러 니즈에 대응하는 IPM 제품군을 갖추고 있다. 고객사는 적절한 IPM을 선택하여 소형 기기만 대형 가전에 적합한 공간 확보 및 설계가 가능하다.

MADK(Modular Apllication Design Kit)는 컨트롤 단과 파워 단이 M1 및 M3 커넥터로 연결되도록 설계되어 있어 컨트롤 보드 및 파워보드 간에 다양한 조합의 선택이 가능하다. 컨트롤러와 인버터 보드가 각각 모듈화 된 3상 모터 시스템 솔루션 플랫폼으로서 모션 컨트롤 엔진이 내장된 iMOTION 컨트롤러는 필수적인 하드웨어와 제어 알고리즘을 통합하여 시스템 개발 비용 및 시장 출시 기간을 단축할 수 있다.

인피니언에서는 MCE 위자드와 디자이너를 웹사이트에서 지원한다. 이니셜 파라미터를 생성하고 이를 평가 보드에 다운로딩하는 것 만으로도 모터를 구동할 수 있다. 또한 소프트웨어로 모터에 최적화된 파인 튜닝을 할 수 있다.

IGBT 디스크리트는 크게 PFC단 및 인버터 단에 적용할 수 있다. 인피니언에서는 가전 PFC에 최적화된 IGBT 제품군을 제안하고 있다. PFC 단에 필요한 다이오드는 고속 스위칭에 적합하게 제공되고 있다.

새로운 파워 소자 패키징, 어드밴스드 아이솔레이션
파워 소자는 방열 및 절연을 위해 절연지를 사용하고 있다. 가장 많이 사용되는 제품은 FullPAK이다. 패키지가 모두 절연이 되어 있어 사용이 편리하나 열저항 계수가 높고 파워 밀도에 제한이 있으며 일반 패키지보다 가격이 높다는 단점이 있다. 이에 대한 대안으로 일반적인 TO-247 패키지에 절연지를 사용하는 것을 검토해볼 수 있다. 그러나 열저항 계수가 FullPAK보다 살짝 모자란다. 또한 절연지의 가격이 만만치 않고 조립 과정에서 절연지가 미세하게 손상될 가능성이 있다. 신뢰성 측면에서 문제가 생길 수 있는 것이다.

이 모든 단점을 보완하기 위해 인피니언은 어드밴스드 아이솔레이션(Advanced isolation) 방식을 제시했다. 이 방식은 기존 TO-247 패키지와 호환이 가능한, FullPAK과 같은 타입으로 기존보다 향상된 열저항 계수를 갖고 있다. 이 방식은 기존 패키지에 아이솔레이션 레이어를 추가함으로 달성됐다. 제품 자체가 딱딱해 생산 과정에서 다루기 용이하다.

기존에는 절연지의 특성에 따라 제품 보증 범위가 달라졌다. 그러나 어드밴스드 아이솔레이션은 반도체 제조공정에서 정확한 열저항 계수를 알 수 있어 보증 범위를 최대화 할 수 있다. 절연지 사용을 하지 않기 때문에 FullPAK에 들어가는 써멀그리스도 필요없다.
어드밴스드 아이솔레이션을 적용했을 경우의 예시로 기존 패키징보다 10도 더 낮다. 덕분에 낮은 IGBT 손실을 달성하여 신뢰성을 높이고 제품의 수명을 늘릴 수 있다.

정리
최근 소형 가전 시장을 중심으로 BLDC 모터의 보급이 증가하고 있다. 따라서 전력 효율 향상 및 다양한 고객 요구를 실현하기 위한 가변속 드라이브의 수요도 따라서 증가하고 있다. 인피니언의 iMOTION 같은 가변속 드라이브 솔루션은 기존의 파편화 되고 신뢰성 부족한 시스템 설계를 축소하고 만회할 수 있는 좋은 방법 중의 하나이다.