[편집자주]산업용 모터는 크게 로봇을 비롯해 각종 장비, 장치에 사용되고 있으며, 최근에는 스마트폰 등 초소형의 다양한 스마트 IoT 장비 및 전기차 등 모빌리티에도 사용되고 있을 만큼 우리 생활에서 가장 중요한 부품으로 자리 매김하고 있다. 이런 산업용 모터를 사용하고, 제어하기 위해서는 전기 전자 분야의 지식을 넘어 기계 공학적 지식도 필요할 만큼 포괄적인 지식이 요구되고 있다. 특히 최근에는 전기차 등 모빌리티에서 사용되며, 사람의 생명을 좌우할 수 있는 주동력원으로 산업용 모터의 가치가 높아지며, 정밀하면서도 고장 등 동작의 방향을 예측할 수 있는 기술들이 요구되고 있다. 이에 산업용 모터를 정밀하게 제어 할 수 있는 방법 및 산업용 모터 최신 트렌드에 대해 산업용 모터 분야 글로벌 전문가인 마크 응(Mark Ng) 텍사스 인스트루먼트(Texas Instruments) 전기차 및 파워트레인 부문 총괄 매니저에게 들어보는 자리를 마련했다.

■ 텍사스 인스트루먼트에 대한 소개를 부탁드린다

텍사스 인스트루먼트(Texas Instruments, 이하 TI)는 세계적인 반도체 기업으로서 산업용, 차량용, 개인용 전자기기, 통신 장비, 엔터프라이즈 등 다양한 부문을 위한 아날로그 IC 및 임베디드 프로세서를 설계·제조·시험·판매하고 있다.

TI는 반도체를 통해 더욱 합리적인 가격의 전자 제품들을 구현하고, 이로써 더 나은 세상을 만들어 가고자 한다.

이를 위해 보다 작고, 효율적이며, 높은 신뢰성과 합리적인 기술을 개발하기 위해 혁신을 거듭하고 있으며, 저희는 이 과정을 ‘엔지니어링 진보(Engineering Progress)’라고 부른다.

TI가 지난 수십 년간 해왔고, 지금도 하고 있는 일이다.

한국에서는 1988년 TI코리아 설립 이후 수십 년 동안 한국 반도체와 전자제품 시장의 발전에 기여해왔다.

■ 최근 전력 효율 및 자동화 성능을 물론 소음이 더 적은 모터에 대한 수요가 높아지면서 실시간 모터 제어의 필요성이 높아졌다. 이러한 추세 속에서 TI의 모터 제어 기술과 주요 제품에 대해 알고 싶다

차량 제조업체들은 CO2 배출량 감소를 위해 노력하고 있으며, 지속적인 진전을 보이고 있다.

TI에서는 차량 전동화를 통해 차량의 CO2 배출량을 줄이고 있다. 승용차를 위한 기술에 근본적인 변화가 필요한 건 명백한 사실이다.

전 세계 차량 제조업체들은 세계적인 배출가스 규제에 초점을 맞추는 동시에 소비자들이 하이브리드 또는 완전한 전기차로 전환할 수 있도록 차량 가격을 합리적으로 만들기 위한 노력을 이어나가야 한다.

누구도 전기차에 내연기관차보다 더 많은 돈을 쓰고 싶어 하지 않는다.

또한 소비자는 내연기관차 수준의 주행거리와 충전 빈도를 기대한다. 안전과 신뢰성을 최우선으로 유지하면서 비용과 주행거리에 대한 해답을 찾는 것은 매우 중요하다.

TI는 이런 과제를 해결하기 위해 제품을 개발하고 있다. 주요 파워트레인 영역과 그에 대한 예시를 몇 가지 들어보겠다.

TI의 배터리 관리 기술은 업계 최고의 배터리 모니터링 정확도를 통해 배터리 팩에서 추가 충전 기능을 활용할 수 있도록 한다.

LFP(Lithium Iron Posphate)처럼 더 저렴하고 안전한 배터리 셀 화학소재를 허용함으로써 최대 25% 더 긴 주행거리를 제공하는 동시에 시스템 비용을 절감한다.

온보드 차저 및 DC/DC 컨버터의 경우 TI의 실시간 디지털 제어 솔루션, 바이어스 공급 디바이스 및 절연 게이트 드라이브는 충전 시간을 단축하고 전기차의 효율성을 높인다.

TI의 기술을 통해 SiC 또는 GaN과 같은 밴드 갭 스위칭 기술에 첨단 제어 토폴로지를 사용하는 것이 가능하다.

트랙션 인버터 시스템은 최적의 성능을 달성하는 데 중요한 역할을 한다. 이러한 시스템은 높은 계산 성능을 요구하기 때문에 제어 기능이 동적 출력 전류 제어 기능과 함께 원활하게 작동해 이상적인 모터 토크(torque)를 유지하면서 전반적인 시스템 효율성을 향상시키는 것이 중요하다. TI의 실시간 컨트롤러는 이런 상황에서 더 높은 성능을 지원한다.

배기가스 배출량이 감소하고 주행 거리가 늘어남에 따라 운전자들은 안전성과 신뢰성이 향상된 차량을 계속 찾게 될 것이다.

안전성에 대한 요구 사항이 더욱 엄격해짐에 따라 업계에서는 첨단 안전 기능으로 운전 경험을 개선하기 위해 기존 차량 시스템 설계 방식을 재고해야 한다.

TI는 기능 안전을 준수하는 다양한 디바이스를 통해 고객이 기능 안전의 최고 수준인 ASIL-D에 도달할 수 있도록 지원한다.

■ 과거 보조 동력원으로 주로 사용되던 모터가 주 동력원으로 등장하기 시작했다. 특히 전기차에서의 모터는 구동 뿐 아니라 이제는 탑승자의 생명을 지키기 위한 중요한 역할을 하게 됐다. 이에 모터를 더욱 정밀하게 제어하는 것은 물론 제어를 위한 시스템의 내구성 또한 중요해지고 있다. 이를 위한 TI의 노력에 대해 알고 싶다. 또한 전기차용 모터를 위한 TI 제품군이 있다면 이에 대한 소개를 부탁드린다

자동차 업계에서는 전기차의 가격을 낮추기 위해 수많은 혁신이 일어나고 있다.

먼저 비싸고 무거운 기계 부품을 대체하기 위해 실리콘이 사용되고 있다. 오늘날 기계식 릴레이를 부하 절연 스위치가 대체하고 있는 것을 예로 들 수 있다.

부피가 크고 무거운 유도성 EMI 코일은 동적 노이즈 제거 기술로 대체되고 있으며, 배터리 팩의 기계식 와이어 하네스는 무선 통신 기술로 대체되고 있다.

업계는 더 저렴한 물질로 대체하기 위한 방법을 찾고 있으며, 특히 희토류에 대한 전반적인 의존도를 줄이기 위해 노력하고 있다.

많은 배터리 제조업체들이 코발트 및 희토류를 필요로 하는 기존의 화학물질에 비해 저렴한 LFP(Lithium Iron Phosphate) 배터리 셀 화학소재로 전환하고 있다.

또한 상당한 양의 희토류를 필요로 하는 무거운 자석을 가진 비싼 모터의 사용도 줄이고 있다.

업계 최고의 OEM 업체들과 협력하면서 파악한 업계의 또 다른 최신 동향은 파워트레인 통합이다.

파워트레인 통합은 시스템 수준에서 온보드 충전기, 고전압 DC/DC 인버터, PDU(Power Distribution Unit, 전원 분배 유닛) 및 배터리 관리 시스템과 같은 애플리케이션을 결합해 구현 가능하다.

고객의 설계 목표에 따라 기계, 제어, 전원 스위치 또는 전원 모듈에도 통합을 적용할 수 있다.

파워트레인 통합을 통해 차량 제조업체는 DC/DC 컨버터, 온보드 충전기 및 인버터를 위한 2개 또는 3개의 별도 기계 인클로저 또는 박스 대신 사용 목적에 따라 자석과 냉각 시스템을 결합해 시스템 수준에서 더 적은 수의 전자 부품을 사용해 비용을 절감할 수 있다.

■ 현재 산업용 모터 제어는 시뮬레이터 등으로 인해 과거에 비해 쉽고, 빠르게 달성할 수 있게 됐다. 특히 TI는 모터 구동 소프트웨어가 불필요한 센서리스 모터 제어를 사용해 개발자들이 더욱 설계 시간을 단축할 수 있도록 돕고 있는데 향후 모터 제어 기술 트렌드에 대한 전망과 TI의 개발 계획이 있다면 이에 대한 소개를 부탁드린다

실시간 제어는 새로운 기술이 아니다. TI는 이미 약 20년 전에 전용 컨트롤러를 선보였다. 실시간 제어 시스템은 데이터를 수집하고 처리하며 시스템을 업데이트하기 위한 폐쇄 루프 제어 시스템이다. 이 ‘제어’는 전력 변환 및 파워트레인 애플리케이션과 같은 고급 모터 제어 애플리케이션 모두에서 중요하다.

전기차의 거의 모든 서브시스템은 실시간 제어에 의존하고 있다. 다양한 흥미로운 혁신들이 자동차의 효율성을 높이고, 운전 경험을 개선하는 동시에 주행거리 및 충전 시간 등 기타 진입 장벽을 낮추고 있다.

모터를 회전시키거나 전력을 변환하는 제품의 효율성, 정밀도 및 크기에 대한 요구가 점차 증가하고 있다.

실시간 제어를 극대화하고 최적화하려면 시스템에 사용되는 임베디드 디바이스가 대기 시간을 최소화하고 전력 효율 및 비용 효율성을 높일 수 있도록 제작돼야 한다.

TI의 C2000™과 ARM™을 기반으로 하는 MCU(마이크로컨트롤러)는 고속 전류 루프라고 알려진 <1·s 이내의 전류 루프를 수행할 수 있는 더 높은 수준의 아날로그 통합 기능을 제공한다.

TI의 새로운 고성능 ARM™ 기반 AM2634-Q1 MCU는 Sitara MCU 제품군에 추가된 최신 제품이며, 전기차의 처리 기술을 향상시키는데 도움을 줄 수 있다.

Sitara AM2634-Q1 MCU는 C2000™ MCU에서 유래한 실시간 제어 서브시스템을 Sitara 멀티 코어 Armⓡ 아키텍처와 결합해 모터 및 디지털 전력 제어 애플리케이션에 필요한 동적 성능의 요구사항을 충족하는 Sitara MCU 포트폴리오의 첫 번째 디바이스다.

AM263 MCU 제품군은 실시간 제어 기능과 3,000개 이상의 DMIPS(Drystone Million-per-second) 컴퓨팅 성능을 결합해 모터 및 기계 인클로저의 크기와 무게는 물론, 시스템 비용을 절감하고 주행 범위를 늘리는 동시에 전기차를 더욱 합리적인 가격으로 만들 수 있도록 한다.

AM263 MCU 제품군은 C2000 실시간 MCU의 이점을 활용하고 확장해 전기차 파워트레인 애플리케이션에 훨씬 더 많은 옵션을 제공한다.

처리 능력을 높이고 감지 및 작동 성능을 확장하는 실시간 제어의 발전은 더 높은 정밀도와 효율성을 높이는 동시에 더 높은 차원의 시스템 통합을 통해 차량을 더 합리적인 가격으로 만들 수 있도록 도움을 준다.

■ 과거에 보조 동력원이었던 모터가 이제는 주요 동력원으로 떠오르고 있다. 전기차에서 모터는 주행 중일 때는 물론, 운전자의 안전에도 중요한 역할을 한다. 이런 트렌드로 인해 정밀한 모터 제어와 제어 시스템의 내구성이 그 어떤 때보다 중요하다. TI는 어떻게 이런 트렌드에 어떻게 맞춰가고 있으며, 전기차용 모터 중 어떤 제품을 강조하고 싶은지

거의 대부분의 차량 제조업체들이 2030년까지 전기차로 전환하겠다는 로드맵을 제시했고, 이것이 우리의 미래다.

TI는 200나노초로 가장 빠른 속도의 단락 보호 기능과 첨단 내장 진단 기능을 갖춘 업계 최고의 통합 게이트 드라이버 포트폴리오를 보유하고 있다.

전기차 모터의 구동을 위해 TI의 재강화 정격 용량성 절연 기술은 800V 기술로의 전환을 간소화하는 업계 최고의 전계(electric field) 분석 기능을 제공한다.

전기차 같은 고전압 환경에서 기능 안전은 사람과 차량 시스템의 손상을 막기 위한 필수 요건이다.

기능 안전 설계에는 많은 시간이 소요된다. ISO 26262 표준에서 기능 안전의 최고 수준인 ASIL D를 달성하기 위한 개발 시간을 단축하기 위해 TI는 차량 제조업체가 작업에 활용할 수 있는 문서와 분석을 제공하고 있다.

앞서 언급한 ARM™ 기반의 MCU AM2634-Q1은 자동차 안전 무결성 등급 중 가장 높은 등급인 ASIL(Automotive Safety Integrity Level) D, EVITA(E-Safety Vehicle Intrusion Protected Applications) 하드웨어 보안 모듈 풀 버전, 자동차 표준 소프트웨어 플랫폼인 AUTOSAR(Automotive Open System Architecture) 지원, 통신 주변기기까지 포함하는 기능 안전 기능을 단일칩으로 통합하여 BOM을 줄일 수 있다.

TI의 게이트 드라이버 포트폴리오는 간단한 기능 안전 수준부터 제일 복잡한 기능 안전 수준까지 각 기능 안전의 범주에 속하는 디바이스를 포함하고 있다. 각각의 카테고리는 설계자가 인증 프로세스를 간소화할 수 있는 리소스를 제공한다.

예를 들어 TI는 트랙션 인버터와 같은 애플리케이션을 기반으로 최초의 TI 기능 안전 요건을 준수하는 게이트 드라이버인 UCC5870-Q1을 개발했다. 해당 제품을 사용한다고 해서 바로 ASIL 등급을 달성하는 건 아니지만, TI는 ASIL D 등급을 달성할 수 있도록 ISO 26262 시스템 설계 지원을 위한 문서를 제공하고 있다.

■ e4ds news 독자들에게 마지막으로 한 말씀 부탁드린다

국내 IT 산업의 발전을 위해 높은 전문성을 바탕으로 양질의 콘텐츠를 빠르게 전달하고 다양한 정보와 인사이트를 제공하기 위해 애써주신 e4ds 관계자 분들의 노고에 감사드린다.

혁신의 시대에 앞으로도 독자들에게 IT 업계의 첨단 기술과 최신 동향 등 다양한 정보를 제공해주시길 기대하겠다.

한편 Ti가 참여하는 ‘2022 e4ds 산업용 모터 제어 기술 컨퍼런스’가 오는 7월22일 한국컨퍼런스센터 대강당에서 개최된다. 산업용 모터제어의 기초 및 고급 기술과 함께 TI의 산업용 모터제어 솔루션 실제 사례를 실시간으로 확인할 수 있는 기회가 될 것으로 보인다. 신청은 e4ds 컨퍼런스에서 할 수 있다.

※ 약력

마크 응(Mark Ng)은 전동화의 세 가지 주요 영역인 트랙션 인버터, BMS(배터리 관리 시스템), 온보드 충전기 및 DCDC 컨버터에 중점을 두고 차량용 하이브리드 및 전기 파워트레인 애플리케이션을 전담하는 시스템 엔지니어 팀을 이끌고 있다.

이 팀은 전 세계의 차량 제조업체 및 1차 부품 제조업체들과 협력하여 전체 시스템 솔루션을 설계하고 있다. 마크는 또한 홍보 관련 의사결정 및 신제품 개발에 대해 조언하는 역할을 수행하고 있다.

현재 직책을 맡기 전에는 홍콩에서 아날로그 전원 제품 비즈니스의 사업 개발 매니저 및 고성능 절연 사업부의 인프라 전원 제품 매니저, 그리고 절연 DC/DC 텔레콤 부문의 제품 마케팅 매니저로 근무했다.

홍콩에서 근무하기 전에는 캘리포니아주 서니베일에서 아날로그 FAE(기술 지원 엔지니어)로 근무하며 북미 세일즈 및 마케팅을 지원했다. 또, 자일링스에서 애플리케이션 엔지니어 및 수석 애플리케이션 엔지니어로 근무한 경력이 있다.

마크는 산타클라라 대학교 에서 전기 공학 학사 학위 및 석사 학위를 받았다.