서비스 로봇 애플리케이션에서 최고의 구동 성능을 실현하는 전력 MOSFET 및 패키지 기술

로봇 프로젝트의 성공은 종종 필요한 반도체 솔루션의 사용 가능성과 확장성에 의존한다. 이 글에서는 로봇공학을 위한 다양한 구동기술의 사례와 장점을 설명하고 MOSFET, 패키지 및 질화갈륨(GaN) 같은 높은 스위칭 주파수 솔루션을 중점적으로 살펴본다.

시장 준비성과 기술 성숙도, 제공되는 가치와 같은 전방위적 환경이 산업과 소비자 부문에서 모두 로봇의 확산을 촉진시키고 있다.

로봇 공학을 위한 반도체 기술은 최근 몇 년 간 크게 발전했으며, 새로운 전력 반도체는 더 효율적이고 신뢰할 수 있으며 다차원적인 서비스 로봇 설계를 구현할 수 있게 한다.

서비스 로봇은 고도로 복잡한 시스템이다. 이들 로봇은 높은 효율성과 신뢰성으로 소형 설계의 경계를 넘어선다. 서비스 로봇은 작은 크기에도 기술 파라미터와 요구사항에서 견고성을 갖추어야 한다. 에너지 효율과 함께 긴 수명의 배터리, 소형 폼팩터, 하드웨어의 탁월한 열 관리는 고객의 기대를 만족하는 이상의 로봇을 설계하는 데 있어 핵심이다. 또한 연결된 서비스 로봇의 데이터 보호, 인증 및 공인을 위한 소프트웨어 요소에 대한 고려는 소비자의 우선순위에 놓인다.

로봇 프로젝트의 성공은 종종 필요한 반도체 솔루션의 사용 가능성과 확장성에 의존한다. 이 글에서는 로봇 공학을 위한 다양한 구동 기술의 사례와 장점을 설명하고 MOSFET, 패키지 및 질화갈륨(GaN) 같은 높은 스위칭 주파수 솔루션을 중점적으로 살펴본다.



서비스 로봇의 일반적인 시스템 아키텍처

대부분의 경우 로봇을 구성하는 가장 일반적인 아키텍처는 중앙처리장치(CPU), 전력/배터리 관리 장치, 무선 통신(COM) 모듈, 휴먼머신 인터페이스(HMI), 센서 및 드라이브 모듈(브러시드 및 브러시리스 모터)이다. 일부 로봇은 여기에 열거된 모든 구성요소를 다 포함하고 있지는 않지만, 이러한 구성요소는 여전히 전반적으로 우수한 시스템을 나타낸다.

메인 CPU는 중앙의 두뇌에 해당되며, 시스템의 지능적인 기능 대부분을 수행한다. 이 프로세서는 시스템 조정을 담당하며, 다양한 모듈에 각각의 작업을, 계획되고 독립적인 방식으로 실행하도록 명령한다.

나머지 모듈은 명령을 실행하고, 해당 상태를 주 CPU에 보고한다.
대부분의 서비스 로봇은 유연한 이동을 위해 배터리로 구동된다.

서비스 로봇은 AC 그리드에 직접 연결할 수 있는 온보드 충전기를 탑재하고 있다. 이러한 경우 로봇에 포함된 충전기가 높은 전압 DC레벨을 발생시키며, 전력 관리 장치가 이를 더 낮은 수준으로 처리한다. 이러한 애플리케이션을 위해, 특히 무선 충전 중에도 계속 작업해야 하는 로봇에게 유용한 무선 충전 기능이 새롭게 떠오르고 있다. 이를 이용하면 로봇은 작업을 수행하면서도 충전할 수 있다.

위에서 언급했듯이 오늘날 로봇 시스템은 대부분 배터리로 구동되기 때문에 아키텍처에서 전력/배터리 관리 장치는 매우 일반적이다.

배터리 관리 장치는 배터리의 전반적인 상태를 관리하고(배터리 상태 및 안전 측면 포함), 시스템 과전압이나 과전류에 대해 시스템을 보호한다. 배터리 모듈에서 인증을 포함한 보안은 고려해야 할 중요한 요소이다. 배터리는 또한 범용 마이크로컨트롤러에 의존하여 계측 또는 배터리 시스템 모니터링과 같은 보조 기능을 구현한다.

배터리 관리 장치와 별도로 전력 관리 장치는 필요한 전압 레일(12V, 5V 또는 3.3V)을 나머지 모듈을 위해 안정적인 방식으로 제어함으로써 로봇의 다양한 구성요소에 전력을 공급한다. 이러한 전력 공급은 고정 또는 가변 방식으로 벅 컨버터 컨트롤러 또는 선형 레귤레이터를 이용하여 수행할 수 있다.

로봇은 무선 통신 모듈을 탑재하여 다른 로봇이나, 실시간으로 전체 로봇 그룹에 명령을 내리는 제어 장치와 같은 다른 시스템과 상호 연결된다. 통신은 주로 와이파이 또는 블루투스를 기반으로 한다.

많은 경우 로컬 컨트롤러가 로봇의 주 컨트롤러와 외부 세계와의 게이트웨이 역할을 하면서 통신 과정을 담당한다.

점점 더 많은 로봇이 인간과 일정한 수준의 상호작용을 한다. 휴먼 머신 인터페이싱은 간단한 디스플레이나 고해상도 디스플레이를 통해 달성할 수 있으며, LED 조명 또한 사용자에게 정보나 피드백을 제공하는 데 사용할 수 있다. 로봇이 사용자와 음성으로 상호작용할 수 있을 정도로 충분한 지능을 갖출 경우 음성 입출력 장치가 필요하다.

그 밖에 서비스 로봇 설계에서 다양한 종류의 센서를 고려할 수 있다. 보통 위치 센서(홀 센서, 엔코더), 속도, 각도 또는 전류 센서가 구동에 사용된다. 로봇이 환경에 대한 정밀한 이해가 필요한 경우 모션 감지를 위한 레이더 센서(거리와 방향), 기압 센서 또는 객체 인식을 위한 3D 이미지 센서와 같은 추가적인 종류의 센서가 필요하다. 주변 환경에 대한 감지는 로봇의 자율 기능을 향상시키므로, 특히 물건이 가득 찬 창고와 같은 복잡한 환경에 배치되는 경우 유용하다.

마지막으로 드라이브 모듈 역시 일반적인 시스템 아키텍처의 일부를 구성한다. 정밀한 위치결정, 높은 속도나 조용한 동작이 필요한 경우, 설계자는 브러시리스 DC(BLDC) 모터와 함께 일련의 위치 센서를 선택한다. 이와 달리 낮은 성능의 모터 제어(저속, 낮은 정확도)만으로 충분한 경우 설계자는 브러시 모터를 선택하여 낮은 가격의 이점을 얻을 수 있다. 브러시드 및 브러시리스 모터가 공존하면서 성능과 비용 효율 목표를 동시에 만족하는 로봇 애플리케이션도 있다.

지금까지 서비스 로봇을 구성하는 주요 기술적 구조를 살펴보았으므로, 이제 다음에는 전도 손실이 로봇의 전체 성능에 미치는 영향과 이러한 손실을 완화하기 위해 사용할 수 있는 반도체 솔루션과 기술에는 어떤 것들이 있는지 알아보기로 한다.

스위칭 및 전도 손실을 낮추는 방법

로봇에서 배터리 수명을 최적화하는 방법은 로봇 구동의 효율을 증가시키는 것이다. 이는 전력 손실을 줄이는 것을 의미한다. 드라이브 애플리케이션에서 전도와 스위칭 손실은 모두 중요하다. 인피니언은 지속적인 혁신을 통해 특히 MOSFET의 RDS(ON)(드레인-소스 온 저항)과 게이트 전하(커패시턴스)를 감소시키는 데 중점을 두고 세대를 거듭하면서 두 유형의 손실을 최소화함으로써 MOSFET의 성능 지수를 향상시켜 왔다.

제어 방법에 따라 다른 손실이 관찰된다. 동기식 정류를 사용하는 경우 바디 다이오드를 통해 전류가 환류하면 로우사이드 MOSFET이 켜진다. MOSFET의 RDS(ON) 값이 새로운 세대에서 더욱 더 낮아지면서 이는 바디 다이오드의 전도 손실(PLoss = IF × VF)을 현저히 감소시킨다. 하지만 로우사이드 다이오드는 여전히 손실의 주 원인의 하나이다.

이러한 문제를 해결하기 위해 인피니언은 순방향 전압을 감소시키는 쇼트키 다이오드를 통합해 다이오드의 전력 손실을 최소화하는 MOSFET을 개발했다. 이들 제품은 OptiMOS™ FD(Fast Diode)라는 이름으로 출시되며, 끝의 LSI로 식별된다(예: BSC010N04LSI).



그림 2는 동기식 정류와 함께 블록 정류 PWM(6 스텝)을 사용하는 3상 인버터에서 측정된 전력 손실 분석을 보여준다. 전원 전압은 18V이며, 비교를 위해 선택된 MOSFET은 LS 및 LSI 버전 모두 BSC010N04이다. 캔들 다이어그램은 전도(‘Cond-’)와 스위칭(‘SW-’) 손실 모두 하이사이드(‘HS’) 및 로우사이드(‘LS’) MOSFET에서 중요한 역할을 한다는 것을 명백히 보여준다.

이와 관련하여 다음과 같은 세 가지 주요 사항을 얻을 수 있다.
1. 소프트 스위칭이 허용될 때 스위칭 손실은 로우사이드 MOSFET에서 무시할 만한 수준이다.
2. 로우사이드 다이오드에서 전도 손실은 손실의 가장 지배적인 원인이다.
3. 쇼트키 다이오드가 통합된 MOSFET의 LSI(Fast Diode) 버전은 전도 손실을 약 25% 감소시킨다. 이러한 감소는 전류 레벨 같은 시스템 조건에 따라 달라진다.

스위칭 손실은 스위칭 주파수와 강력하게 연결된다. 로봇 인버터에서 일반적인 주파수는 10kHz ~ 40kHz 범위이다. 스위칭 주파수가 높을수록 손실이 크다. 인피니언의 업계 최고 OptiMOS™ 솔루션은 낮은 RDS(ON)과 낮은 전하 MOSFET을 제공함으로써 두 가지 유형의 손실을 모두 크게 줄여주지만, 손실은 피할 수 없으며 전력 스위치에서는 항상 열이 발생된다. 따라서 열 관리는 드라이브 설계에서 주요 과제의 하나이며, 가령 소형 로봇 팔에 들어가는 높은 전력 밀도 디바이스를 고려할 때 특히 유의해야 한다.



그림 3에서 보듯이 인피니언의 DirectFET™ 패키지는 금속 패키지와 하단의 PCB에 직접 연결된 내부 실리콘 다이 사이에 직접적인 연결을 갖는 양면 쿨링 패키지이므로 외부에 대한 열 저항을 최소화한다. 이 패키지는 접합부에서 PCB 하단까지, 그리고 상부에서부터 금속 패키지를 통해 공기 중으로 또는 보다 엄격한 경우 옵션으로 사용되는 히트 싱크를 통해 열을 효율적으로 확산시킨다.

또한 낮은 프로파일 외에도 이 패키지는 공간이 제한된 설계에 완벽한 선택이다. 그림 3은 DirectFET™와 D2Pak 패키지 간의 열 저항을 비교한 것이다. DirectFET™의 열 저항(8.1°C/W)은 D2Pak의 열 저항(16.8°C/W)보다 절반 이상 낮다.

높은 스위칭 주파수 구동 솔루션

엔지니어는 애플리케이션에 질화갈륨(GaN) 소자를 사용할 경우 여러 이점을 얻을 수 있다. GaN 특성으로 낮은 온 저항은 실리콘 소자보다 낮은 전도 손실을 제공하고, 낮은 커패시턴스는 스위칭 손실을 낮추거나 바디 다이오드 역 복구를 향상시키므로 높은 스위칭 주파수 전력 애플리케이션에 완벽한 선택이다. 스위칭 주파수를 높이면 가령 토크 리플을 감소시켜 구동 성능을 향상시킬 수 있다. 전원장치와 같은 다른 애플리케이션에서 이러한 기법은 자기 부품의 크기를 효과적으로 줄이는 데에도 사용할 수 있다.

스위칭 주파수가 증가하면 그에 따라 컨트롤러를 채택해야 한다. 요구되는 정확도로 전체 루프를 유지할 수 있게 보장하려면 PWM 분해능을 고려해야 한다. 인피니언은 특히 스위칭 주파수가 증가할 때 이와 같은 높은 분해능 루프를 위해 고분해능 PWM 모듈을 갖춘 XMC4100 제품군 같은 마이크로컨트롤러를 제공한다. 또한 스위칭 주파수가 증가할 경우 마이크로컨트롤러의 처리 성능을 고려해야 한다.

주기별 제어를 가정할 경우 새로운 듀티 사이클 계산을 확정하는 데 더 적은 시간을 사용할 수 있다. 인피니언은 32MHz의 XMC1000 제품군 ARM®-Cortex™-M0에서부터 144MHz의 XMC4000 제품군 ARM®-Cortex™-M4F 및 높은 수준의 기능 안전과 성능이 요구되는 경우 적합한 AURIX™에 이르기까지 넓은 성능 범위를 갖는 광범위한 컨트롤러 포트폴리오를 제공한다. 제어 루프 실행 주파수를 증가시키면 모터의 동적 특성이 향상돼 보다 정확한 제어가 가능해진다.

인피니언의 제품은 모터 제어 계산 전용의 특수 MATH 코프로세서(삼각함수 계산을 위한 CORDIC 유닛과 나눗셈 유닛 모두 내장)를 포함한다. 이 코프로세서는 표준 구현에 비해 XMC1000 제품군에서 제어 루프의 실행 시간을 단축시킨다(하드웨어 대비 소프트웨어 계산). 코사인 및 나눗셈 함수(종종 자속 기준 제어(FOC)와 같은 모터 제어 알고리즘에 사용)의 실행 시간 비교는 그림 4에서 볼 수 있다.



요약

엔지니어는 차세대 로봇 솔루션과 디바이스를 개발할 수 있으려면 구동의 설계 파라미터에 특별한 주의를 기울여야 한다. 엔지니어는 다양한 반도체 솔루션으로부터 선택해 자신들의 설계를 세부적으로 조정할 수 있다. 최종 제품의 스위칭 주파수와 열 저항과 같은 기술적인 파라미터가 구동을 위한 요구사항을 설정한다. 충분히 최적화된 시스템을 개발하기 위해 설계자는 전도 손실과 스위칭 손실을 모두 최소화하고 열 관리를 최적화해야 한다.

쇼트키 다이오드가 통합된 MOSFET은 순방향 전압을 감소시켜 다이오드의 전력 손실을 최소화할 수 있다. 엔지니어는 또한 최적화된 열 관리를 제공하는 DirectFET™ 같은 새로운 패키지 설계를 이용할 수 있다. GaN 소자와 같은 새로운 넓은 밴드갭 솔루션은 높은 스위칭 주파수 구동의 기반으로 정확도와 풋프린트 측면에 모두 도움을 줄 수 있다.

인피니언의 A-Z 서비스 로봇 제품은 구동 및 로봇 관련 솔루션을 비롯해 백여 가지 이상의 제품을 제공한다. www.infineon.com/service-robotics을 방문하여 자세한 내용을 보거나 여기에서 서비스 로보틱스 및 AGV 브로셔를 다운받을 수 있다.