대부분의 가전 기기는 낮은 또는 분수 마력의 3상 모터에 의존하고 있다. 이러한 최종 기기들은 안전, 접지 소음 완화 및 전압 수준 변경을 위해 일반적으로 갈바닉 절연이 필요하다. CMOS 기반 절연 기술은 기존의 갈바닉 절연 기술과 비교해 성능과 신뢰성 부분에서 뛰어난 이점을 제공하는 절연 게이트 드라이버, 멀티채널 디지털 아이솔레이터 및 AC 전류 센서를 실현한다.



펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation, PWM) 기술로 구동하는 3상(three-phase) 모터는 에어컨이나 음식물 처리기로부터 전동침대 및 풀 펌프에 이르기까지 다양한 소비자 응용 기기에 사용된다. 이러한 애플리케이션은 일반적으로 0.25 HP(186 W)~3 HP(2,238 W) 정격 출력의 브러시리스 DC (BLDC) 모터를 사용한다. 그림 1은 AC 라인 전압이 정류기를 통해 DC 전압으로 변환되고 인버터의 입력에 적용되는 모터 회로의 예이다. 이 인버터는 자체 DC 입력 전압을 G1 - G6 전력 스위치 온/오프의 순서를 정하는 3개의 AC 위상으로 변환하여 전기적으로 모터를 정류한다. 이 컨트롤러는 속도 설정 값(set point)과 측정된 속도를 비교하고 두 파라미터가 동일해질 때까지 스위치 타이밍을 조정함으로써 속도를 조절한다.
이러한 유형의 애플리케이션은 사용자 접촉이 가능한 저전압 플레인에 고전압이 흘러들어가지 않도록 방지하기 위해 갈바닉 안전 절연이 필요하다. 또한 절연은 하이사이드 게이트 드라이브를 위한 부드러운 레벨 시프트를 제공하여, 고전압 IC(HVIC) 드라이버가 필요하지 않다.



CMOS 절연 디바이스
최근까지 옵토커플러 및 트랜스포머는 더 나은 기술의 부재로 인하여 갈바닉 절연 회로의 주요 부품으로 사용돼 왔다. 이로 인해 설계자는 빈약한 타이밍 성능과 신뢰성 문제를 보유한 옵토커플러, 또는 외부 리셋 회로 및 듀티 사이클 제한을 수반하는 대형 EMI 발광 트랜스포머를 사용할 수밖에 없었다. 그러나 현재 표준 CMOS 공정으로 조립된 최신 갈바닉 아이솔레이터는 성능, 신뢰성, 크기 및 채널당 비용에서 상당한 이점을 제공하며 기존의 절연 부품을 대체하고 있다. 옵토커플러 및 트랜스포머와 차별되게 CMOS 기반 아이솔레이터는 대형 반도체 IC에서 통합이 용이하여, 절연 기능이 통합된 시스템 수준의 IC 기능을 구현할 수 있다.

CMOS 절연 게이트 드라이버
3상 모터 시스템은 세 쌍의 하이사이드/로우사이드 IGBT 트랜지스터뿐만 아니라, 절연된 총 7개의 드라이버 채널을 위한 1개의 모터 브레이크 IGBT를 요구한다. 실리콘랩의 Si823x ISOdriver와 같은 CMOS 절연 게이트 드라이버는 절연 및 하이사이드 드라이버 수준의 시프트 기능을 제공하는 단일 패키지 절연 드라이버이다. 그림 2는 조절형 데드 타임(dead time) 발생기가 통합된 하이사이드/로우사이드 절연 CMOS 드라이버를 통해 각 IGBT 쌍이 구동되는 3상 AC 모터를 보여주고 있다. 이 다이내믹 브레이크 IGBT는 단일 채널 CMOS 절연 드라이버로 구동된다. 이 단일 패키지 솔루션들은 기존 접근 방식을 뛰어넘는 최대 5 k Vrms의 검증된 절연 등급, 60 nS의 고속 입력/출력 전달 지연의 절연 플로팅 출력 드라이버 및 내장 데드 타임 발생기 및 오버랩 보호 기능을 포함한 이점을 제공한다. 또한 3개의 절연 솔루션은 옵토커플러 및 트랜스포머와 같은 기존 기술의 취약점을 해결했다.



CMOS 절연 AC 전류 센서
다시 말하지만 더 나은 솔루션이 없는 관계로 기존의 전류 감지 솔루션은 전류 감지 트랜스포머(Current-sense Transformer, CT), 홀 효과(Hall Effect) 센서 및 차동 앰프/저항 션트 조합을 포함한다. CT는 코어 포화를 방지하기 위한 사이클 간 리셋을 요구하며, 이들 회로는 최종 애플리케이션(그림 3)에 따라 단순해지거나 복잡해질 수 있다. 또한 CT는 크기가 크고 비교적 높은 직렬 저항 및 인덕턴스를 가지고 있어 효율을 떨어뜨리고 유도성 링잉(inductive ringing)을 악화시킬 수 있다.
홀 효과 디바이스는 적용된 수직 자기장에 비례하는 전압을 생성하며, 감지되는 전류 전달 컨덕터와 물리적 접촉 없이 고유의 절연 기능을 제공한다. 이 속성과 AC 및 DC 전류 측정 기능이 홀 효과 전류 센서의 최대 장점이다. 반면에 홀 효과 전류 센서는 외부 국부 자기장 간섭에 의해 쉽게 손상되며, 저전류 흐름에서 오프셋 오류를 발생시키는 큰 온도 변화 문제를 안고 있고, 저출력 신호 진폭 및 간접적으로 낮은 신호 대 잡음(signal-to-noise)을 보이는 경향이 있다. 폐루프 홀 효과(closed-loop Hall Effect) 센서가 이러한 문제의 대안이 될 수 있지만, 상당히 고가이다.
션트(shunt)와 차동 앰프의 결합은 가장 직관적인 전류 감지 솔루션이다. 차동 증폭기는 션트에서 전압 강하를 측정하며 측정 전류에 비례하는 전류 파형을 생성한다. 이러한 방법의 문제는 일반적으로 션트에서 과도한 전력 손실 및/또는 너무 낮은 측정 주파수 범위를 가진다. 또한 이 디바이스들은 더욱 낮은 전압 애플리케이션으로 레귤레이트 하는 낮은 공통 모드 전압을 갖는 경향이 있다.



CMOS 절연 전류 센서
기본적으로 인덕터와 결합된 로고스키 코일(Rogowski coil)은 다양한 타입의 AC 전류 측정 애플리케이션에 사용돼 왔다. 로고스키 코일 1차 측 전류는 상호 전류 변화의 유도 회수가 같도록 2차 측으로 전압을 유도한다(i.e. V2 = Lmxdt1/dt1). 그 후 이 전류 파형은 2차 측에 연결된 아날로그 적분기(Integrator)를 통해 “재구성”된다. 국부 게이트 제어 신호를 사용하여 수행되는 각 전류 측정 주기의 시작에 앞서 온칩 적분기(그림 4)는 반드시 리셋 되어야함을 유념해야 한다.

가전용 모터 제어에 적용
영구자석 DC 동기식 모터로 불리는 브러시리스 DC(BLDC) 모터는 고유의 특성으로 인해 빠르게 보급됐다. BLDC는 전류와 토크 및 전압과 회전 속도 사이에 선형 관계가 있는 DC 모터처럼 동작한다. 그러나 BLDC 모터는 더욱 뛰어난 속도 대 토크 특성과 더욱 빠른 동적 반응을 포함한 유도 모터 및 브러시 DC보다 뛰어난 이점을 제공한다. 기타 특징으로는 높은 효율 및 신뢰성, 긴 동작 수명, 저잡음 동작, 더 높은 속도 범위 및 감소된 전자기간섭(EMI) 방출을 포함한다. 모터의 크기로 전달되는 토크의 비율이 높아져 공간과 중량이 중요한 요소로 작용하는 애플리케이션에서 BLDC가 유용하다.
그림 5에서 보이는 BLDC 속도 컨트롤러는 PWM을 사용하는 모터 위상에서 평균 전압을 변화시킴으로써 BLDC 속도를 조절한다. 이 단일측 PWM, 120도 전도 모드 2사분(two-quadrant) 컨트롤러 방식은 단순하며 양방향에서 모터를 구동할 수 있다. 또한 전압 스위칭 기술도 단순하다. 6개의 스위치 중 2개만이 언제든지 on 할 수 있으며, 아닌 경우 모터 단계로 전압을 스위칭 한다. 컨트롤러의 모든 6개 게이트를 위한 전압 파형은 그림 6에서 볼 수 있다. 게이트 전압 타이밍 시퀀스는 G1 & G2, G2 & G3, G3 & G4, G4 & G5, G5 & G6, G6 & G1이다. 전류 제한에 사용되는 CMOS AC 전류 센서를 사용하고 있음을 유념해야 한다.
그림 5의 AC 전류 센서는 각 BLDC 모터 위상에서 전류를 측정한다. 그림 5의 컨트롤러를 위해 필요한 변조 주파수는 70 kHz 미만이며 최대 PWM 듀티 사이클은 80%까지 고정 될 수 있어, 사이클 간 전류 센서 리셋(그림 7 참조)을 수행하기 위한 충분한 시간을 제공한다. 그림 8은 그림 5의 속도 컨트롤러가 약간 변경된, 간소화된 피드백 토크 컨트롤러를 보여준다.