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SPI 통신

minseououo — Thu, 2 Apr 2026 11:56:52 +0900

SPI (Serial Peripheral Interface) 란?

SPI 통신

SPI는 MCU와 센서, ADC, 메모리 등과 빠르게 데이터를 주고받기 위해 사용하는 대표적인 통신 방식이다.

SPI는 다음과 같은 특징을 가진다.

클럭 기반 동기 통신
빠른 데이터 전송 속도
단순한 구조

빠르고 단순하게 외부 장치와 통신하기 위한 방식이라고 볼 수 있다.

시리얼 통신(UART)과의 차이

시리얼통신

우리가 잘 알고 있는 시리얼 통신(UART)은 TX선과 RX선을 사용해서 통신을 하는데, UART 통신은 별도의 클럭 신호 없이 데이터만으로 타이밍을 맞추기 때문에 비동기 통신이라고도 불린다.

컴퓨터나 MCU는 내부의 "클럭"(컴퓨터에서 모든 부품을 구동할 수 있게 타이밍을 맞춰주는 크리스탈)을 기준으로 동작한다. 따라서 서로 다른 두 시스템이 통신을 할 때, 기준 클럭이 다르면 데이터 샘플링 시점이 어긋나 문제가 발생할 수 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해 비동기 통신(UART)에서는 송신부에서 데이터에 여분의 정보(start bit, stop bit, 경우에 따라 parity bit)를 붙여 수신부가 데이터의 시작 시점을 인식하고 일정한 간격으로 데이터를 샘플링할 수 있도록 한다.

따라서 양쪽의 송수신 장치는 미리 통신 속도(baud rate)에 대한 합의가 되어 있어야 한다(예를 들어 9600bps). 물론 수신부에서 매번 시작 비트를 기준으로 타이밍을 다시 맞추기 때문에 약간의 전송 속도 차이는 허용되지만, 속도 차이가 과도하게 발생하면 데이터를 정확하게 수신할 수 없다.

비동기 통신은 잘 동작하긴 하지만, 매 전송 바이트마다 start 비트와 stop 비트를 추가해야 하고, 시리얼 통신을 위해 비교적 복잡한 하드웨어 구성이 필요하다. 또한 프로젝트를 진행할 때 두 장치가 통신 속도를 미리 맞추지 않으면 전송된 데이터가 올바르지 않게 된다.

따라서 수신부에서는 정확한 타이밍에 비트를 추출해야 한다. 만약 수신부가 잘못된 시간에 비트를 추출하면 그 값은 잘못된 값이 될 수 있기 때문이다.

UART 특징

TX / RX 2선 사용
클럭 없음 (비동기)
Start bit / Stop bit 필요
사전에 통신 속도(Baud rate) 맞춰야 함

문제점

타이밍 오차 발생 가능
속도 상대적으로 느림
하드웨어 구조 복잡

즉, SPI가 UART보다 빠르고 안정적인 통신이 가능하다.

동기식 통신

SPI 통신은 시리얼 통신과는 다른 방식으로 동작한다.

SPI 통신은 동기식으로 작동하는데, 이는 데이터선과 별도로 "클럭" 선을 두어 송신부와 수신부가 동일한 타이밍으로 데이터를 주고받는다는 의미이다.

이 "클럭"은 수신부에게 데이터선에서 언제 비트를 읽어야 하는지를 알려주는 반복적인 신호이다.

이 신호는 라이징 에지(low에서 HIGH로 변화)일 수도 있고, 폴링 에지(HIGH에서 LOW로 변화)일 수도 있다.

어떤 에지를 기준으로 데이터를 샘플링하는지는 데이터시트에서 확인할 수 있다.

수신부는 이러한 클럭 신호의 변화를 감지하여 해당 시점에 데이터선을 읽어 비트를 추출한다.

클럭 신호에 맞춰 데이터가 전송되기 때문에 비동기 통신과 달리 사전에 정확한 타이밍을 맞출 필요는 없다.

다만, SPI 통신 역시 최대 동작 속도가 정해져 있으므로 해당 속도를 초과하면 정상적인 통신이 어려울 수 있다.

핵심 개념

클럭 신호를 기준으로 데이터 송수신 타이밍을 맞춘다

클럭 상승/하강 엣지에서 데이터 읽음
타이밍 오차 문제 없음

따라서 UART처럼 Start/Stop bit가 필요 없다

SPI 기본 구성 (4선 구조)

SPI는 기본적으로 4개의 신호선으로 구성된다.

MOSI (Master Out Slave In)
마스터 → 슬레이브 데이터 전송
MISO (Master In Slave Out)
슬레이브 → 마스터 데이터 전송
SCK (Serial Clock)
클럭 신호 (마스터가 생성)
SS (Slave Select, CS)
통신할 슬레이브 선택

클럭 + 데이터 + 선택 신호로 구성된 구조

마스터-슬레이브 구조

위와 같이 단방향 통신에는 SPI 통신이 적합하다는 것을 파악할 수 있다. 그렇다면 반대로 데이터를 보냈던 장치에서 데이터를 받으려면 어떻게 해야 할까? 이때부터 구조가 조금 복잡해지기 시작한다.

SPI 통신은 한쪽에서만 클럭 신호(일반적으로 CLK 또는 SCK라고 부른다)를 생성한다. 이때 클럭을 생성하는 쪽을 "마스터"라고 하며, 반대쪽을 "슬레이브"라고 한다.

SPI 통신에서는 일반적으로 마스터는 하나이다. 대부분의 경우 마이크로컨트롤러가 마스터 역할을 수행한다. 반면 하나의 마스터에 여러 개의 슬레이브를 연결할 수 있다.

마스터에서 슬레이브로 데이터를 전송할 때는 MOSI(Master Out / Slave In)라고 불리는 데이터 선을 사용한다. 반대로 슬레이브에서 마스터로 데이터를 전송할 때는 MISO(Master In / Slave Out)라는 별도의 데이터 선을 사용한다.

SPI 통신의 중요한 특징은 송신과 수신이 동시에 이루어지는 풀 듀플렉스(Full-Duplex) 방식이라는 점이다.

즉, 마스터가 클럭을 생성하면서 MOSI로 데이터를 전송하는 동시에, 슬레이브는 MISO를 통해 데이터를 마스터로 전달할 수 있다.

따라서 슬레이브가 마스터에게 데이터를 전송하기 위해서는 반드시 마스터가 클럭을 생성해야 한다. 마스터가 클럭을 생성하는 동안 슬레이브는 해당 클럭에 맞춰 데이터를 MISO 라인으로 출력한다. 슬레이브는 스스로 데이터를 전송할 수 없으며, 항상 마스터의 클럭에 의존하여 동작한다.

SPI는 반드시 하나의 마스터(Master)와 하나 이상의 슬레이브(Slave)로 구성된다.

마스터 역할

클럭 생성
통신 시작
데이터 길이 결정

슬레이브 역할

선택되면 응답
마스터 요청에 따라 데이터 송수신

모든 통신은 마스터가 주도한다

전이중통신

SPI의 중요한 특징 중 하나는 전이중 통신이다.

전이중 통신이란 데이터를 보내면서 동시에 받을 수 있는 통신을 말한다

MOSI → 명령 전송
MISO ← 이전 데이터 수신

센서 읽기에서 자주 사용된다.

슬레이브 선택 (SS / CS)

동작 방식

HIGH → 비활성
LOW → 활성 (선택됨).

즉, 특정 슬레이브 하나만 선택해서 통신한다.

다중 슬레이브 연결 방식

1) 개별 SS 방식

일반적으로 각 슬레이브는 독립된 SS 신호선을 가진다. 특정 슬레이브와 통신하기 위해서는 해당 슬레이브의 SS 신호만 LOW로 설정하고, 나머지 슬레이브의 SS 신호는 HIGH 상태로 유지해야 한다.

여러 개의 슬레이브를 연결하면 SS 신호선의 개수가 증가하여 회로가 복잡해질 수 있다. 이러한 경우 이진 디코더(decoder)나 디멀티플렉서(demultiplexer)를 사용하여 SS 신호를 효율적으로 분배할 수 있다.

슬레이브마다 SS 선 따로 사용
가장 일반적

2) 데이지 체인 방식

일부 장치는 데이지 체인 방식으로 연결할 수 있으며, 한 장치의 MISO(출력)를 다음 장치의 MOSI(입력)에 연결하는 구조를 가진다.

이 경우 하나의 SS 신호선이 모든 슬레이브에 공통으로 연결된다. 통신을 시작할 때 SS 신호를 LOW로 설정하면 모든 슬레이브가 동시에 활성화된다. 이후 클럭에 따라 데이터가 순차적으로 각 장치를 거쳐 이동하게 된다.

데이터는 첫 번째 슬레이브를 시작으로 시프트 레지스터처럼 한 비트씩 다음 슬레이브로 전달되며, 여러 개의 장치를 하나의 긴 시프트 체인처럼 동작시키게 된다.

이 방식은 데이지 체인 구조의 시프트 레지스터나 LED 스트립을 제어할 때 주로 사용된다.

슬레이브를 직렬로 연결
하나의 SS 사용
주로 LED, Shift Register 등에 사용

SPI 통신 동작 흐름

기본적인 통신 순서는 다음과 같다.

SS LOW → 슬레이브 선택
클럭 생성 (SCK)
MOSI로 데이터 전송
동시에 MISO로 데이터 수신
SS HIGH → 통신 종료

클럭에 맞춰 데이터가 동시에 이동

SPI 설정 요소

SPI를 사용할 때 반드시 설정해야 하는 요소들이 있다.

데이터 순서

MSB First
LSB First

클럭 모드

CPOL (클럭 기본 상태)
CPHA (샘플링 타이밍)

클럭 속도

슬레이브가 처리 가능한 속도로 설정 필요

SPI의 장단점

장점

속도 빠름
구조 단순
구현 쉬움

단점

배선 많음
슬레이브 개수 늘어나면 복잡
마스터 중심 구조 (유연성 낮음)

실제 활용 (ECOMP 관점)

SPI는 임베디드 및 전력전자 시스템에서 매우 많이 사용된다.

사용 예

전류 센서 데이터 읽기
ADC 통신
게이트 드라이버 상태 확인
EEPROM / Flash 메모리 접근

SPI는 클럭 기반으로 빠르고 정확하게 데이터를 주고받는 동기식 통신 방식이다.

토크 리플(Torque Ripple)

minseououo — Tue, 20 Jan 2026 10:48:14 +0900

토크 리플(Torque Ripple)이란?

위 그림은 Dynamic Load 조건에서 측정한 모터 토크이다.

상단 그림을 보면, 일정 시간이 지난 후 토크가 정상 상태(Steady State)에 도달하는 것을 확인할 수 있다.

하단 그림은 이 정상 상태 구간의 토크를 확대한 결과이다.

확대된 Instant Torque 파형을 보면, 평균 토크를 중심으로 주기적인 진동이 발생하는 것을 확인할 수 있는데,
이러한 현상을 토크 리플(Torque Ripple) 이라고 한다.

토크 리플(Torque Ripple) 발생 원인

토크 리플의 원인은 크게 다음 두 가지로 분류할 수 있다.

입력 전류에 의한 토크 리플
모터의 기계적 구조에 의한 토크 리플

입력 전류에 의한 리플

위 그림에서 첫 번째 파형은 모터에 인가되는 3상 전류, 두 번째 파형은 이에 따른 토크 측정 결과이다.

AC 모터에서 토크는 기본적으로 전류에 비례하여 발생한다.
하지만 입력 전류는 DC가 아닌 교류(AC) 이며, 각 상(Phase)의 전류는 시간에 따라 변화한다.

모터에서 발생하는 토크는 각 상 전류의 Envelope 성분에 의해 결정되는데,
상 전환 과정에서 필연적으로 교류 성분이 포함되면서 토크 역시 일정하지 않고 변동하게 된다.

이로 인해 전류가 안정적으로 보이더라도, Instant Torque에서는 주기적인 리플 성분이 발생하게 된다.

입력 전류 기반 토크 리플의 특징

토크는 전류의 Peak 값을 따라 변동함
상(Phase) 수와 RPM이 증가할수록 리플 주파수는 증가
RPM이 증가하면 동일 토크를 내기 위해 전류의 주파수가 증가
결과적으로 고속 영역에서 토크 리플의 주파수 성분이 높아짐

기계적인 구조에 의한 리플 발생

영구자석형 모터에서는 입력 전류 외에도, 모터의 기계적·자기적 구조에 의해 토크 변동 성분이 발생할 수 있다.

고정자 슬롯 구조와 영구자석의 배치로 인해, 로터가 회전하면서 공극 자속 분포는 위치에 따라 완전히 동일하지 않다.

이로 인해 로터의 회전 각도에 따라 토크가 미세하게 증가하거나 감소하는 위치 의존적 토크 변동이 발생하게 된다.

이러한 구조적 요인에 의해 발생하는 토크 변동 성분은, 입력 전류에 의해 발생한 토크 리플과 중첩되어 전체 토크 리플을 구성하게 된다.

이를 줄이기 위해 다음과 같은 구조적 설계 기법이 사용된다.

영구자석 형상 및 배치 최적화
슬롯 수 증가
권선의 분산 배치

하지만 이러한 구조적 개선은 토크 리플을 감소시킬 수는 있어도,
구조 자체에서 기인한 토크 변동을 완전히 제거하는 것은 어렵다.

구조적 요인 중 하나인 코깅 토크(Cogging Torque) 는 전류 인가 없이도 발생하는 독립적인 현상으로, 다음 글에서 별도로 정리해 보려고 한다.

PID 제어

minseououo — Wed, 1 Oct 2025 15:38:32 +0900

PID 제어란?

자동제어 방식 가운데 가장 널리 쓰이는 제어 방식이 바로 PID 제어다.

PID란 다음 세 가지 제어 동작을 조합한 것을 의미한다.

P (Proportional, 비례)
I (Integral, 적분)
D (Derivative, 미분)

이 세 가지를 적절히 조합하면 단순한 제어보다 훨씬 유연하고 정밀한 제어가 가능해진다.

단순 On/Off 제어

가장 단순한 방식은 On/Off 제어이다.

출력을 0%와 100%로만 스위칭하기 때문에, 제어량이 목표값 근처에서 계속 진동하게 된다.

예를 들어 에어컨의 단순 온도 조절을 생각해보면, 목표온도보다 약간 낮으면 켜고, 높으면 끄는 방식이다.

이 경우 목표값 근처에서 냉방기가 계속 켜졌다 꺼졌다 하며 불안정하게 된다.

비례 제어

On/Off 제어의 단점을 줄이기 위해 고안된 것이 비례 제어다.

비례 제어에서는 목표값과 현재 값의 차이(오차)에 비례하여 조작량을 결정한다.
즉, 오차가 크면 큰 힘으로, 오차가 작으면 작은 힘으로 제어한다.

이를 통해 목표값에 가까워질수록 제어량도 미세하게 조절되어 안정적인 동작을 얻을 수 있다.

하지만 P 제어만으로는 잔류편차(steady-state error)가 남는 문제가 있다. 즉, 목표값에 거의 도달하지만 완전히 일치하지 않고 약간의 오차가 남는다.

PI 제어

잔류편차 문제를 해결하기 위해 적분 제어(I)를 추가한다.

적분 제어는 오차를 시간적으로 누적하여 제어량에 반영한다.

즉, 오차가 조금이라도 존재하면 누적해서 제어 신호를 점점 크게 만들어 결국 오차를 없애버린다.

이렇게 P 제어와 I 제어를 조합한 것을 PI 제어라 한다.
PI 제어는 목표값에 거의 완벽하게 도달할 수 있다는 장점이 있다.

PID 제어

하지만 PI 제어에도 단점이 있다. 외란이 생겼을 때 반응 속도가 늦거나, 응답이 지나치게 느려질 수 있다.

PI 제어에서는 확실히 목표값으로 제어할 수 있지만, 일정한 시간(시정수)이 필요하다.

이때 정수가 크면 외란이 있을 때의 응답 성능이 나빠진다.
즉, 외란에 대하여 신속하게 반응할 수 없고, 즉시 원래의 목표값으로는 돌아갈 수 없다는 것이다.

이를 개선하기 위해 미분 제어(D)를 추가한다.

미분 제어는 오차의 변화율을 고려하여 급격한 변화가 생기면 빠르게 반응한다.
즉, "앞으로 오차가 커질 것 같다"는 정보를 미리 보고 제어 신호를 크게 줘서 응답 속도를 높인다.

따라서 PID 제어는

P 제어: 오차의 크기에 따라 제어
I 제어: 누적 오차를 없앰
D 제어: 오차 변화에 빠르게 반응
을 조합하여, 정밀하고도 신속한 제어가 가능하다.

컴퓨터에 의한 PID 제어 알고리즘

원래 PID 제어는 아날로그 회로로 구현되었다. 하지만 오늘날은 대부분 컴퓨터(마이크로컨트롤러, PLC 등)로 디지털 연산을 통해 PID를 구현한다.

컴퓨터는 연속 신호가 아니라 일정 주기의 샘플링 데이터만 다룰 수 있으므로, PID 알고리즘도 이산화된 형태로 계산한다.

디지털 PID 제어의 일반적인 수식은 다음과 같다.

조작량 = (Kp×편차) + (Ki×편차의 누적값) + (Kd×전회 편차와의 차)
(비례항) (적분항) (미분항)

기호로 나타내면

MVn=MVn-1+ΔMVn
ΔMVn=Kp(en-en-1)+Ki en+Kd((en-en-1)-(en-1-en-2))

MVnMV_n: 이번 조작량
MVn−1MV_{n-1}: 이전 조작량
ene_n: 이번 오차
Kp,Ki,KdK_p, K_i, K_d: 제어 파라미터

이것을 프로그램으로 실현하기 위해서는 이번과 전회의 편차값만 측정할 수 있으면 조작량을 구할 수 있다.

PID 파라미터 튜닝

PID 제어 방식에 있어서의 과제는 각 항에 붙는 정수, Kp, Ki, Kd를 정하는 방법이다.
이것의 최적값을 구하는 방법은 몇 가지 있지만, 어느 것이나 난해하며, 소형의 마이크로컴퓨터로 실현하기 위해서는 번거로운 것이다(tuning이라 부른다).

대표적인 방법은 다음과 같다.

Step 응답법
한계 감도법(Ziegler–Nichols 방법)

실제로는 이론적인 방법보다는 "cut and try(시행착오)"로 값을 잡는 경우가 많다.

또, 프로세스 제어 분야에서는 이 튜닝을 자동적으로 실행하는 Auto tuning 기능을 갖는 자동제어 유닛도 있다. 이것에는 제어 결과를 학습하고, 그 결과로부터 항상 최적한 파라미터값을 구하여 다음 제어 사이클에 반영하는 기능도 실장되어 있다.

스텝 응답법에서 파라미터를 구하는 방법은 다음과 같다.
우선, 제어계의 입력에 스텝 신호를 가하고, 그 출력 결과가 아랫 그림이라고 하자(파라미터는 적당히 설정해 둔다).

윗 그림과 같이 상승의 곡선에 접선을 긋고, 그것과 축과의 교점, 정상값의 63%에 해당하는 값으로 된 곳의 2점에서,
L: 낭비시간 T: 시정수 K: 정상값의 3가지 값을 구한다.
이 값으로부터, 각 파라미터는 아래 표와 같이 구할 수 있다.

제어 동작 종별	Kp의 값	Ki의 값	Kd의 값
비례 제어	0.3~0.7T/KL	0	0
PI 제어	0.35~0.6T/KL	0.3~0.6/KL	0
PID 제어	0.6~0.95T/KL	0.6~0.7/KL	0.3~0.45T/K

이 파라미터에 범위가 있지만, 이 크기에 의한 차이는 특성의 차이로 나타나며, 아랫 그림과 같이, 파라미터가 많은 경우에는 미분, 적분 효과가 빨리 효력이 나타나므로 아랫 그림의 적색선의 특성과 같이 overshoot이 크게 눈에 띈다. 파라미터가 작은 쪽의 경우는 하측 황색선의 특성과 같이 된다.

데드타임(Dead Time)

minseououo — Fri, 20 Jun 2025 10:51:15 +0900

Cross Conduction이란?

Cross Conduction은 하프 브릿지 또는 풀 브릿지 구조의 푸시풀(Push-Pull) 계열 컨버터에서 발생할 수 있는 치명적인 단락 상태를 의미한다. 하나의 브릿지(Bridge) 혹은 레그(Leg) 내 상단·하단 스위치가 동시에 ON 되는 경우로, 이로 인해 회로에 심각한 과전류가 흐르고 전력 소자(스위치)가 파손될 수 있는 상황이다.

Fig1. 일반적인 하프 브릿지 회로

Cross Conduction이 왜 위험한가?

위 Fig1은 하프 브릿지 인버터 회로를 보여준다.
만약 상단 스위치(Q1)와 하단 스위치(Q2)가 동시에 켜지게 되면, 이 경로는 거의 저항이 없는 직렬 단락 회로가 된다. T1, T2는 전류 센싱을 위한 커런트 트랜스포머(CT)로 구성되어 있어 내부 저항이 매우 작다.

결과적으로, DC 전압원이 내부 임피던스가 매우 낮을 경우, 상단에서 하단으로 거대한 전류가 순간적으로 흐르게 되고, 이로 인해 Q1, Q2는 즉시 손상되거나 파괴될 수 있다.

Fig2. Q1(위)과 Q2(아래)의 콜렉터 출력 전류 파형

Fig2 – 게이트 드라이브 vs 전류 파형

Fig2는 하프 브리지 스위치인 Q1, Q2에 대한 게이트 드라이브 신호와 콜렉터(또는 드레인) 전류 파형을 보여준다.

Q1의 턴오프가 시작되는 시점 t1, 동시에 Q2의 턴온도 시작된다.
하지만 Q1은 Storage Time(저장 시간) 동안 완전히 꺼지지 않으며, 전류가 t3 시점까지 계속 흐른다.
반면 Q2는 Turn-on Delay가 상대적으로 짧기 때문에 빠르게 도통되며, 결과적으로 t2~t3 사이에 두 스위치가 모두 ON되는 상태가 발생한다.
→ 이것이 바로 Cross Conduction.

이 시점에서 상하단 스위치는 동시에 ON, 즉 DC 모선의 양단이 직접 연결된 상태가 되며, 내부 임피던스가 낮은 전원에서 전류 스파이크가 발생한다. 이 과전류는 스위치를 빠르게 파괴시키며 회로 고장을 유발한다.

Dead Time 삽입

이러한 문제를 막기 위해 Dead Time(데드타임)을 도입한다.

Dead Time은 상하단 스위치 사이의 안전한 공백 시간으로,
하단 스위치를 ON하기 전에 상단 스위치가 완전히 OFF될 시간을 확보해 준다.
이로써 두 스위치가 동시에 ON되는 상황(Cross Conduction)을 원천 차단할 수 있다.

※ Dead Time이 너무 짧으면 Cross Conduction의 위험이 존재하고, 너무 길면 PWM 파형이 왜곡되어 모터 토크 리플, 전류 왜곡 등 부작용이 생기기 때문에 적절한 시간으로 정밀하게 조정되어야 한다.

약계자 제어(Field Weekening Control)

minseououo — Mon, 9 Jun 2025 10:34:14 +0900

약계자 제어 또는 약자계 제어라고 부르는 Field Weekening Control에 대해 알아보자.

왜 자계(Field)를 약하게 하는 것인가?

바로 D축 전류를 이용하기 때문에 자계(Field)가 약해지기 때문이다.

약계자 제어를 이해하기 위해서 "전류제한원"과 "전압제한원"에 대해 알아야 한다.

전류 제한원

어떻게 전류가 제한된다는 말일까?

우선 모터 제조사로부터 속도-토크 특성으로부터 전류가 제한되는 "최대 전류"를 얻을 수 있다.

파나소닉 사의 "MSMF092L1" 모터를 예시로 들어보자.

MSMF092L1 모터의 속도-토크 곡선

이 곡선으로 얻을 수 있는 정보는 다음과 같다.

1. 3800[rpm] 이하로 동작할 때 사용 가능한 최대 토크는 9.55[Nm]이다.

2. 최대 속도인 5000[rpm]으로 동작할 때 사용 가능한 최대 토크는 4.0~5.5[Nm]이다.

3. 연속으로 동작할 때는 최대 토크로 3.36[Nm] 이하를 권장한다.

최대 전류는 17.1[Arms](=24.2[Ao-p]/√2)이다.

파나소닉 모터에서 17.1[Arms]는 선전류를 의미한다.

그리고 모터 결선은 Y결선으로 되어 있으므로, "상전류 = 선전류"이다.

따라서, 모터의 상전류의 최대 순시치는 24.2[A]이고, 이 값이 전류제한원의 최대 크기가 된다.

그림 2는 이 값을 토대로 한 전류제한원이다.

수식으로 표현하면 다음과 같다.

전류제한원

MTPA

여기에 개념이 하나 더 들어간다면, MTPA이다.

PMSM은 두 종류가 있다.

SPMSM은 D축 전류를 0으로 한 채 Q축 전류 값만 올리는 반면,

IPMSM은 D축 전류를 적절히 인가하여 단위 전류당 최대 토크를 발생시키도록 하고 있다.

바로 MTPA(Max Torque Per Ampere) 기법이다.

0[A]부터 최대 전류인 24.2[A]에 도달할 때까지 단위 전류당 최대 토크를 발생하는 경로를 나타낸다.

IPMSM도 D축 전류를 0으로 해도 제어에 문제는 없겠지만, 효율이 낮아질 것이다.

MTPA 곡선

D축 전류는 왜 음수인가?
전압제한원의 중심은 -D축에 위치하고 있다.
한계 속도에 다다랐을 때 '속도를 더 높이기 위해' D축 전류를 인가하여 '약계자 제어'를 한다.

그렇다면 D축 전류는 왜 음수로 하는 걸까?
이는 전압제한원과 관련있다.
전압제한원의 수식에 따르면 최대 운전 속도가 높아질수록 원의 크기는 줄어들게 된다.
그래서 D축 전류를 양의 값으로 입력하면 속도를 높이기는 커녕 낮은 속도로 운전하게 된다.
그리고 MTPA 곡선과도 연속되지 않을 것이다.

약계자제어(FWC)

약계자제어는 왜 사용할까?

바로, '속도를 더 높이기 위해서'이다.

전류제한원으로 인해 최대로 사용할 수 있는 전류의 크기는 정해져 있다.

전류가 제한되므로 최대 토크도 제한되어 있다.

하지만, 약계자 제어를 사용하면 토크를 다소 포기하고 속도를 높일 수 있다.

약계자 제어는 '모터의 속도-토크 곡선을 바꾸는 기법'이라고도 볼 수 있다.

아래 그림의 파란 선을 보면 모터를 전류가 증가함에 따라 토크도 증가하고, 속도도 높일 수 있게 되었다.

예를 들면 모터의 속도-토크 특성에 따르면 6000[RPM]이 최대 속도이다.그런데 6500[RPM]까지 속도를 높여서 운전하고 싶다.이런 경우에 약계자 제어를 사용하게 된다.

오른쪽 그림에서 우측 상단의 회색 영역은 '약계자제어로 인해 사용 불가능해진 영역'이다.빨간색 영역은 '약계자제어로 인해 사용 가능해진 영역'이다.

MTPA곡선+약계자제어

즉 약계자 제어란,

시스템이 모든 상태로 완벽하게 제어되진 않지만,
특정 조건 또는 제약 내에서는 원하는 상태로 부분적으로 제어 가능한 상태를 말한다.

더 간단히 말하면?

"제어는 가능하긴 한데, 제약이 있다."

→ 일부 방향은 안 되거나
→ 특정 조건(속도, 자속, 전압 한계 등)에서만 가능

저속에서는 역기전력이 약해서 위치 추정이 안 됨 → 제어 불안정
고속에서는 전압 한계로 토크 지령을 다 못 따름
자속이 0 근처면 토크 제어가 어려움

역기전력(back EMF)

minseououo — Thu, 29 May 2025 17:13:58 +0900

역기전력이란

역기전력(逆起電力, back-EMF, back-Electro Motive Force) (단위 : V)

단어로 유추하면 역방향으로 전기를 유발하는 힘,

영어로도 역방향의 전기를 유발하는 Force 이다.

그렇지만 단위는 전압의 단위인 V 이다.

단위에서 알 수 있듯이 역기전력은 전류와 역방향, 즉 전류를 방해하는 방향으로 발생하는 전압이다.

기호로는 e (순시값), E (실효값)로 표현한다.

플레밍의 왼손 법칙과 오른손 법칙

왼손 법칙 : 자기장 B 내에서 전류 I 가 흐르면 힘 F 가 발생한다.

(모터의 원리)

오른손 법칙 : 자기장 B 내에서 도체를 힘 F 방향으로 움직이면

전류 I 가 발생한다.

(발전기의 원리)

플레밍의 왼손 법칙과 오른손 법칙은 모터와 발전기에 따로 적용하는게 아니라 동시에 적용된다.

플레밍의 왼손, 오른손 법칙

자기장 B 내에 놓여있는 도체에 전압을 인가하여 전류 I 를 흐르게 하면 그림처럼 힘 F 가 발생하여 회전을 시작한다.

(왼손 법칙)

그런데, 자기장 B 내에서 도체가 힘 F 방향으로 움직이기 시작했기 때문에 처음 전류 I 와는 반대 방향으로 전류 I' 가 발생한다.

(오른손 법칙)

처음 전류 I 를 방해하는 I' 를 흐르게 하는 전압이 역기전력이다.

(가끔 역기전압이라고도 하는 사람이 있는데, 정식 용어는 아니지만 더 맞는 표현일지도 모르겠다)

즉, 모터는 모터이면서 발전기이다. 모터와 발전기가 동시에 작동하는 것이다.

그래서 모터를 에너지 변환 장치라고 표현하는데,

전기 에너지를 일로 변환하면 모터, 역으로 일을 전기 에너지로 변환하면 발전기가 된다.

발전기에서는 역기전력이 바로 발전되는 전압(유기전압)이다.

역기전력의 영향

모터의 입장에서 단자 전압이 인가되고 전류가 흐르면 토크가 발생하여 회전을 시작한다.

바로 이 회전에 의해서 역기전력이 발생하는데 회전속도에 비례해서 역기전력이 증가하기 때문에

속도가 증가하다 보면 단자 전압과 역기전력이 거의 같아져서 전류를 흘릴 수 있는 전압이 부족하게 된다.

이때 전류가 흐르지 않으면 토크도 발생하지 않으므로 속도가 더 이상 증가할 수 없게 된다.

전압 방정식

이 방정식의 양 변에 전류 i를 곱한다.

vi : 전기 입력(W)

i2R : 저항 손실(W)

Li (di/dt) : 인덕턴스에 의한 무효 전력

ei : 기계 출력(W)으로 변환되기 전의 전기 출력(W)

전기 출력에서 기계 손실, 철손, 부가부하손을 빼면

기계 출력이 되는데, 남은 손실을 무시한다면,

위 공식이 성립한다.

모터의 Power 변환

즉, 역기전력과 전류의 곱에 의해서 기계 출력으로 변환된다.

역기전력과 전류에 의한 출력 (단상)

그림처럼 역기전력 e 와 전류 i 의 파형이 완벽한 정현파인 경우, 출력 p 는 sin2 함수로 변환된다.

전체적으로 출력이 꿀렁꿀렁 거리고, 어떤 지점에서는 출력이 '0'인 곳도 있다.

※참고 : 단상 및 2상 교류 모터는 출력이 0인 지점이 있기 때문에스스로 기동을 못할 수가 있다.

3상 이상이 되어야 스스로 기동이 가능하다.

그래서 교류 전기 모터에서는 흔들림 없는 출력을 내기 위해 3상 이상을 사용한다.

(엔진에서 부드러운 출력을 내기 위해 실린더수를 증가시키는 것과 같다.)

역기전력과 전류에 의한 출력 (3상)

전기적으로 120도씩 위상차가 나는 U, V, W 상 역기전력에 동일한 위상의 3상 전류를 공급해주면각 상의 출력은 sin2 함수 형태로 변환되지만 3상을 다 합치면 완벽하게 일정한 출력이 나오게 된다.

그러나 실제로는 역기전력이 완벽한 정현파가 아니고, 공급하는 전류 또한 완벽한 정현파가 아니며,

또 역기전력과 전류가 완벽하게 위상이 같지 않기 때문에 출력의 흔들림과 저하가 나타난다.

이것을 최소화 하는 것이 바로 모터 설계, 제작 기술과 인버터 제어 기술이다.

역기전력과 전류의 위상차가 있을 때의 출력 (3상)

위 그림은 역기전력과 전류의 위상이 어긋났을 때 출력의 변화를 보여준다.

U상만 본다면 역기전력과 전류의 위상차 때문에 출력이 마이너스가 되는 지점이 나타난다.

나머지 V, W상도 마찬가지이므로 전체 출력은 저하된다.

만약에 위상차가 전기적으로 90도가 된다면?

U상만 생각해보면 (+)출력과 (-)출력이 반복적으로 나타나게 되므로 실제 출력은 '0'이 된다.

즉, 입력은 투입되는데 좌우로 흔들리기만 하고 출력은 나오지 않는 상태이다.

그러므로 무엇보다 역기전력과 전류의 위상을 동일하게 맞춰주는 것이 중요하다.

그래서 역기전력의 위상을 검출하여 인버터 전류를 제어하기 위한 센서가 바로 홀(Hall) 센서, 레졸버 또는 절대치 엔코더 등이다.

따라서 센서 설치를 잘못 했다든지, 센서에 문제가 있다든지, U, V, W 상 순서를 잘못 연결했다든지,

인버터 설정에서 위상차를 잘못 입력하면 모터의 출력은 감소하게 된다.

최악의 경우에는 의도치 않는 (+)피드백에 의해서 모터가 폭주하거나,

부족한 출력을 더 내기 위해 전류가 과도하게 투입되어 소손되는 경우도 있다.

DQ변환

minseououo — Fri, 21 Mar 2025 14:27:05 +0900

DQ변환의 목적

DQ 변환은 삼상 교류 신호를 회전 좌표계로 변환해 DC처럼 보이게 만들어 제어를 쉽게 하기 위함이다.

DQ 변환은 미국의 GE에서 개발되었다.

전국에서 돌아가는 3상 발전기에서 얻어진 3상 전압의 주파수, 위상, 크기 등을 동기화 해야하는데,

제어를 위해 식을 세워보니 기계시스템과 전기시스템이 결합된 비선형 상미분 3차 연립방정식이 되어버린 것이다.

제어를 할려면 이걸 적절하게 풀어내야 했다.

심지어 제어해야하는 목표전압 값도 AC 값이었다.

제어 대상이 AC면 Undamped 신호라서 2차 전달함수의 기본이론도 쓰지 못한다.

자연 주파수와 댐핑 비도 의미가 없어진다.

그래서 비선형을 최대한 선형화 하고 AC값을 DC화 할 수 있으면 좋겠다 라고 생각했다.

즉 DQ변환의 목표는 '선형화'와 'DC화' 이다.

DQ 변환은 한번에 이루어지지 않는다.

DQ변환은 2단계로 이루어진다.

첫 단계는 '120도 간격의 위상차를 가지는 abc상'을 '90도 간격의 Alpha, Beta상'으로 바꿔주는 Clarke 변환이다

120도 간격으로 3개의 축을 가지는 것보다는 90도로 직교하는 2개의 축을 가지고 계산하는 것이 서로 독립적이어서 계산하기가 편하기 때문이다.

abc상에서 Alpha, Beta 상으로의 변환

3상 2극 모터의 각 abc상 권선이 놓여져있는 위치를 나타내는 것이다.

3상 모터는 공간적으로 120도 간격으로 놓여져 있는 각각의 권선(=코일)에 시간적으로 120도 간격을 가진 3상 전류를 넣어주는 것이다. 저 그림은 공간적인 분포만 의미하는 것이다.

이제 여기에 시간적으로 120도 간격인 3상 전류를 넣어주면, 아래 영상 처럼 번갈아가면서 벡터가 커지고 작아지고를 반복한다.

<5분 15초부터>

변환 방법은 아래 행렬을 계산하면 된다.

Carke 변환 행렬식

이 행렬 곱셈이 의미하는 바는 abc상의 전류값의 벡터들을 alpha축과 beta축에 각각 투영해서 더하는 것이다.

각 abc상이 alpha축 beta축에 기여하는 값이 얼만지를 하나하나 계산해서 더한다.

그러면 Alpha, Beta 평면 상에서의 벡터 크기와 위치가 어디인지를 알 수 있다.

a상이 Alpha에 기여하는 값: a상과 Alpha축은 완전히 같은 방향에 놓여있다. 즉 Cos(0)=1을 곱한다.

a상의 값은 그대로 Alpha축에 반영된다. 기하학적으로 표현하면 투영된다고 할 수 있다.

b상이 Alpha에 기여하는 값: b상은 Alpha축에서 120도만큼 반시계로 회전한 위치에 있으니 현재 b상 전류(또는 전압) 값의 Cos(120) = -1/2를 곱하면 된다.

c상이 Alpha에 기여하는 값: c상은 Alpha축에서 240도만큼 반시계로 회전한 위치에 있으니 현재 c상 전류(또는 전압) 값의 Cos(240) = -1/2를 곱하면 된다. b상과 같다.

a상이 Beta에 기여하는 값: a상과 Beta축은 직교 방향에 놓여있다. 즉 Sin(0)=0을 곱한다.

그래서 a상의 값은 Beta축에 기여하는 것이 전혀 없다. a상을 Beta축에 투영하는 것이다.

b상이 Beta에 기여하는 값: b상은 Alpha축에서 120도만큼 반시계로 회전한 위치에 있으니 현재 b상 전류(또는 전압) 값의 Sin(120) = sqrt(3)/2를 곱하면 된다.

c상이 Beta에 기여하는 값: c상은 Alpha축에서 240도만큼 반시계로 회전한 위치에 있으니 현재 c상 전류(또는 전압) 값의 Sin(240) = -sqrt(3)/2를 곱하면 된다. b상과는 부호만 다르다.

맨 앞에 2/3이 곱해지는 것은 3상을 2상으로 바꾸면서 Scale을 맞춰주기 위함이다.

이렇게 해두면 한 상당 전류가 12Arms일 때, Alpha,Beta 평면 또는 DQ 평면에서의 전류벡터 크기도

(= Sqrt(d^2+q^2) 로 구해지는 전류)도 12Arms로 동일해진다.

예를 들어, Q축 전류가 10Arms이고 D축전류가 5Arms이면 좌표변환하기 전의

현재 흐르는 상전류 값은 Sqrt(100+25) = 11.18Arms이다.

위 그래프는 3상 전류, 아래 그래프는 변환된 2상 전류. 아직은 여전히 교류값이다

각 3상 전류에서 나오는 3개의 벡터를 직교 평면상의 1개의 벡터로 변환을 했다.

Alpha 값이 x축, Beta 값이 y축인 2차원 평면상의 2차원 벡터를 얻었다.

이제는 Alpha, Beta 전류를 얻어낸 것이다. 하지만 아직 여전히 교류(AC)값이다.

두번째 단계는 Alpha, Beta 전류를 DC값으로 바꿔주기 위해서

Direct, Quadrature축 줄여서 DQ축으로 변환하는 것이 필요하다.

여기서 Direct 축의 의미는 보통은 전기기기에서 공극 자속밀도의 값이 최대가 되는 지점을 의미한다.

Alpha, Beta 전류가 여전히 교류일 수 밖에 없는 이유는 위의 그림처럼 우리가 아직 Alpha축과 Beta축에

고정해서 머물면서 벡터가 회전하는 걸 보고 있기 때문이다.

어쩔 수 없이 하나의 전류벡터가 회전하면 그 벡터의 Alpha값은 Cos값으로 투영되니까 멀어졌다 가까워졌다 하는 것이다.

Beta값도 Sin값으로 투영되어서 Beta 축에 위치한 눈에서 가까워졌다가 멀어졌다 한다.

즉 고정좌표계에서 보고 있으면 Alpha전류도 Beta 전류도 아직 여전히 교류값이다.

좌표변환을 했지만 고정좌표계 이기에 아직 교류 값으로 나온다

그러나 그렇게 좌표변환해서 본 알파, 베타 축 전류들은 여전히 교류 파형이었다.

DQ변환의 목적은 선형화와 DC화 였으니 아직 한 단계가 더 남았다.

좌표계를 회전시키면 된다. 회전 행렬을 곱하면 좌표계가 회전을 하는 것처럼 계산된다.

이렇게 Clarke 변환한 알파베타 고정좌표계에서는 눈이 한 곳에 머물면서 벡터가 돌아가는 것을 보고 있었다면,

Park 변환한 회전좌표계에서는 눈이 회전하는 dq 회전 좌표계의 d축과 q축에 딱 붙어서 회전을 하는 것처럼 본다.

회전 변환 행렬에 보통 넣어주는 회전 값인 Theta 값을 각속도와 시간의 함수로 넣어주면 가능하다.

위 그림이 회전 행렬을 적용한 예시이다.

theta 만큼 반시계로 회전한 점의 위치를 찾으려면, 원래 위치에 저런 회전 변환 행렬을 곱해주면 된다.

그런데 만약에 theta 대신에 wt를 넣어준다면? (w: 각속도, t: 시간)

w의 각속도로 회전하게 된다.

그런데 그 속도를 회전하는 자기장 벡터와 같은 속도로 맞춰준다면? 즉, 전류의 주파수랑 똑같이 맞춘다면?

좌표계가 회전하는 속도가 벡터가 회전하는 속도랑 똑같아지게 된다.

그러면 좌표계에서 바라봐도 멀어졌다 가까워졌다 하지않고 일정한 거리에 있으니 일정한 값으로 보이게 된다.

이제 clarke 변환 * park 변환을 미리 곱해둔 변환행렬은 아래와 같다.

인터락(Interlock)

minseououo — Tue, 10 Dec 2024 16:07:01 +0900

정의

인터락(interlock) 또는 인터로크는 2개의 매커니즘 또는 기능의 상태가 서로 의존하도록 만들어주는 기능이다. 유한 상태 기계에서 원치 않는 안전사고를 예방하기 위해 사용할 수 있으며 어떠한 전기적, 전자적, 기계적 장치나 시스템으로도 구성될 수 있다.

환경차(전기차, 하이브리드 자동차, 플러그인 하이브리드 자동차, 연료전지 전기차 등)에서는 고전압 계통의 부품이 장착되고, 이를 PE (Power Electric) 부품이라고 한다. 전기 자동차를 예를 들면, 다음과 같은 부품이 있다.

전기차 구성도

(1) 고전압 배터리 : 수백 V 급으로 전기에너지를 저장하는 역할

(2) 구동 모터 : 환경차를 구동하는 역할

(3) 12V 배터리 : 자동차의 전장에 전원을 제공하는 배터리

(4) OBC (On Board Charger) : AC-DC 컨버터로, 외부로부터 배터리를 완속 충전하는 부품

(5) LDC (Low DC-DC Converter) : 고전압 배터리에서 저전압 배터리 (12V)로 강압을 하는 컨버터

(6) 인버터 : 3상 모터를 구동시키는 부품으로 DC를 AC로 변환하는 부품

이러한 PE 부품들의 전기 전송을 위해서는 고전압용 와이어 및 커넥터가 필요하다. 보통 환경차에서 고전압용 와이어 하네스 및 커넥터는 주황색으로 표시되어 있다. 또한, 고전압 커넥터가 제대로 체결이 되어있는지 확인해 주는 인터락(Interlock) 장치가 있다.

출처 : Hirose

역할

1. 차량 정비를 하기 위해 고전압 커넥터를 탈거할 때, 실수로 고전압 계통을 차단하지 않은 경우 위험할 수 있다. 따라서 고전압 커넥터를 탈거할 때, 무조건 고전압 계통 차단시켜 안전하게 정비할 수 있게한다.

2. 충돌/추돌 사고로 인해 고전압 계통이 단락 및 단선이 되면 감전 및 화재로 이어질 수 있다. 사고로 인해 인터락 회로에 먼저 이상이 발생하면, 고전압 계통을 차단시켜 사고 후 발생할 수 있는 감전 및 화재를 방지할 수 있다.

출처 : Staubli

위의 그림에서 왼쪽 커넥터를 보면, 가느다란 전선 2가닥이 있는 것을 확인할 수 있다. 바로 케이블의 연결 유무를 확인할 수 있는 인터락 신호 라인이라고 볼 수 있다.

회로 구조

위의 회로에서 주황색이 고전압 라인, 빨간색이 인터락 라인이다. 커넥터가 연결되지 않을 때는 보드 쪽에서 풀업 저항에 의해 5V가 감지된다.

하지만, 와이어 하네스 쪽의 인터락 라인이 연결되면 폐회로가 형성되면서, 보드 쪽에서 0V가 감지된다. 이렇게 커넥터 연결 유무에 따라 전압이 변화하기 때문에 커넥터 체결 유무를 확인할 수 있다.

이번에는 조금 더 큰 시스템 단위로 예시를 살펴보자.

가운데 정션 박스가 있고, 정션 박스에서는 고전압을 분배하는 역할을 한다. 그리고 인터락 라인이 배터리, 인버터, LDC, OBC 등을 통과해 폐루프를 형성하고 있다.

위의 그림에서 빨간색 선이 인터락 라인이다. 위의 예시에서는 배터리에서 FET를 통해 전압을 인터락 폐루프에 인가한다. 그리고 전류가 각 고전압 부품을 거쳐 배터리로 다시 돌아오게 된다.

이때 저항에 흐르는 전류를 센싱하여 현재 커넥터 및 와이어가 이상 없이 연결되었는지를 확인할 수 있다.

만약, 단선, 단락과 같은 문제가 발생하면 FET on/off 지령에 상관없이 인터락 전류 센싱 값이 고착화될 것이다. 이렇게 이상을 감지하여 사용자에게 경고를 발생시키고 고전압 계통을 차단하는 조치를 취한다.

위의 회로는 각 제어기마다 저항을 연결하여, 병렬로 저항이 연결되게 구성한 것이다. 이때 인터락 회로 합성 저항을 통한 전압값을 감지하여, 커넥터 체결 유무 및 단선/단락 진단을 수행할 수 있다.

이렇게 간단한 회로와 진단 기능만으로도 커넥터 체결에 대한 실수를 방지하고, 고전압에 대한 위험으로부터 보호할 수 있다. 인터락 회로는 정형화되어 있지 않기 때문에 커넥터 연결 유무만 정확히 확인할 수 있다면, 회로 구조를 얼마든지 변형하고 응용해서 사용할 수 있다.

IGBT

minseououo — Thu, 14 Nov 2024 12:00:57 +0900

IGBT란?

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)는 전력 전자 분야에서 널리 사용되는 반도체 소자로, 트랜지스터와 MOSFET의 특성을 결합한 장치이다. IGBT는 높은 전압과 전류를 제어하는 데 효과적이며, 스위칭 속도와 전력 효율이 뛰어나 전력 제어 시스템에서 중요한 역할을 한다.

IGBT를 이해하려면 기능 측면에서 서로 다른 트랜지스터를 이해하는 것이 좋다.

트랜지스터

트랜지스터는 두 가지 주요 기능을 가진 작은 전자 부품이다.

조명 회로를 제어하는 스위치 역할을 하거나 신호를 증폭할 수 있다.

트랜지스터는 다양한 유용성과 특정 적용 가능성에 따라 여러 종류로 나뉜다. 일반적으로 많이 사용되는 트랜지스터는 BJT(Bipolar Junction Transistor), MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) , 그리고 IGBT이다.

BJT와 MOSFET은 각각 장점과 특징이 다르다.

BJT는 낮은 온 상태 전압 강하가 특징으로, 고전류 제어에 적합하다. 하지만 입력 저항이 낮아 베이스 전류를 많이 소모하는 단점이 있다.
MOSFET은 높은 입력 임피던스와 낮은 스위칭 손실, 그리고 2차 항복(thermal runaway) 현상이 없는 구조를 가진다. 고속 스위칭과 저전력 신호 제어가 필요한 응용에서 많이 사용된다.

IGBT는 BJT와 MOSFET의 장점을 결합한 소자로, 두 트랜지스터의 강점을 모두 활용할 수 있다.

MOSFET처럼 높은 입력 임피던스를 가져 제어가 쉽고, BJT처럼 높은 전류 밀도와 낮은 온 상태 전압 강하를 제공한다.
IGBT는 스위칭 소자로 주로 사용되며, 신호 증폭에도 적용 가능하다. 특히 고전압, 고전류 제어와 빠른 스위칭 성능을 제공하기 때문에 전력 전자 시스템에서 필수적인 구성 요소로 자리 잡고 있다.

IGBT 특징

3단자 소자: 게이트(Gate), 컬렉터(Collector), 에미터(Emitter)로 구성된다.
전압 제어 소자: 게이트 전압으로 스위칭 동작을 제어하며, 작은 제어 전력으로 큰 전류를 제어할 수 있다.
고속 스위칭: 높은 주파수에서 동작 가능하며, 전력 손실을 최소화한다.
고효율: 낮은 전도 손실과 스위칭 손실로 에너지 효율이 높다.

IGBT의 내부 구조

IGBT의 내부 구조는 반도체의 4층 장치로 구성된다.

이 4층 구조는 PNPN 배열로 이루어져 있으며, PNP와 NPN 트랜지스터가 결합되어 있다. 이는 IGBT의 고유한 전류 흐름과 스위칭 특성을 가능하게 한다.

Injection 영역 (P+ 기판)
- IGBT 구조에서 Collector 영역에 가장 가까운 레이어이다.
- 이 영역은 주입(active injection)을 통해 정공 전류를 N-드리프트 영역으로 주입하는 역할을 한다.
N-Drift 영역
- N-층으로 구성된 드리프트 영역은 Injection 영역 바로 위에 위치한다.
- 드리프트 영역은 IGBT의 전압 차단 능력을 결정하는 중요한 레이어로, 두께에 따라 전압 차단 성능이 달라진다.
Body 영역 (P 기질)
- 드리프트 영역의 상단에 위치하며, P-기질로 구성된 신체 영역이다.
- 이 영역은 IGBT의 동작에서 전류 흐름을 제어하는 데 핵심적인 역할을 한다.
Emitter 영역 (N+ 레이어)
- Body 영역 내부에는 N+ 레이어가 포함되어 있다.
- 이 레이어는 전자 주입과 전류 흐름의 시작점을 형성한다.

접합부(Junctions)

J2 접합:
- Collector 영역(P+)과 N-Drift 영역(N) 사이의 접합부.
- 이 접합은 IGBT의 주입 특성을 결정한다.
J1 접합:
- N-Drift 영역과 Body 영역(P) 사이의 접합부.
- 이 접합은 전류 흐름을 제어하는 데 중요하다.

IGBT와 사이리스터의 비교

IGBT의 구조는 "MOS" 게이트 측면에서 사이리스터와 유사하지만, 두 소자의 동작과 기능에는 차이가 있다.

IGBT의 동작 범위는 트랜지스터 동작으로 제한되어 있다. 사이리스터와 달리, IGBT는 사이리스터의 제로 크로싱(Zero Crossing)을 기다리지 않고 빠르게 스위칭할 수 있다.
이 특성 덕분에 IGBT는 고속 스위칭이 필요한 응용에서 사이리스터보다 더 선호된다.

IGBT 작동 원리

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)는 게이트 터미널에 전압을 인가하거나 제거함으로써 ON 또는 OFF 상태로 작동한다.

ON 상태
- 게이트와 이미터(Gate-Emitter) 사이에 양의 전압이 인가되면, 게이트 단자가 활성화된다.
- 이때, 전류가 흐르며 IGBT는 켜진 상태(ON)가 된다.
- 이미터는 구동 회로를 통해 전류를 유지하고, Collector와 Emitter 간에 전류가 흐른다.
OFF 상태
- 게이트와 이미터 사이의 전압이 0 또는 음수일 경우, 게이트 단자가 비활성화된다.
- 이로 인해 IGBT는 전류 흐름을 차단하며, 꺼진 상태(OFF)가 된다.

IGBT의 이득(gain)과 증폭 기능

IGBT는 BJT와 MOSFET의 기능을 결합한 소자이므로, 출력 신호와 제어 입력 신호 간의 비율로 증폭량이 결정된다.

BJT의 이득(β, 베타)
- 기존의 BJT에서는 입력 전류와 출력 전류의 비율이 이득으로 정의된다.
- 이를 β(베타)로 표현하며, β는 BJT의 전류 증폭 능력을 나타낸다.
MOSFET의 특성
- MOSFET의 게이트 단자는 절연되어 있어 입력 전류가 거의 없다.
- 대신, 입력 전압의 변화가 출력 전류의 변화를 제어한다.
IGBT의 이득(트랜스컨덕턴스)
- IGBT는 MOSFET처럼 입력 전압 변화를 통해 출력 전류를 제어한다.
- 출력 전류 변화를 입력 전압 변화로 나눈 값이 IGBT의 이득을 결정하며, 이는 트랜스컨덕턴스(transconductance) 소자의 특성을 보여준다.

회로로서의 IGBT 운용

IGBT의 회로 동작은 게이트 단자에 전압이 공급될 때만 이루어진다.

게이트 전압(VG)이 인가되면 IGBT는 작동을 시작한다.

다이어그램에서 볼 수 있듯이, 게이트 전압(VG)이 증가하면 게이트 전류(IG)도 증가한다. 이로 인해 게이트-이미터 전압(VGE)이 형성된다.

결과적으로 게이트-이미터 전압(VGE)은 컬렉터 전류(IC)를 제어하며, 이에 따라 컬렉터 전류(IC)가 증가하면 컬렉터-이미터 전압(VCE)은 감소한다.

IGBT, Si 다이오드

참고:
IGBT는 다이오드와 유사한 전압 강하 특성을 가지며, 일반적으로 약 2V 정도이다. 전류는 로그 스케일에 따라 증가한다.

IGBT는 자유 회전 다이오드(free-wheeling diode)를 사용하여 역전류를 전도한다. 이 다이오드는 컬렉터-이미터 단자에 걸쳐 배치된다.

내장형 다이오드의 필요성:
전력 전자 장치에서 내장형 다이오드는 필수적이다. 전원 스위치에 장애가 발생하지 않도록 유도성 부하 전류가 흐를 수 있는 경로를 제공한다. 스위치를 끈 이후 유도성 부하 전류가 적절한 경로를 찾지 못하면 높은 전압 피크를 생성하여 장치를 손상시킬 수 있다.

IGBT 및 FWD 모듈

절연 게이트 바이폴라 트랜지스터가 꺼질 때마다 N-영역의 소수 캐리어가 외부 회로로 흐른다.

공핍층이 확장된 후(컬렉터-이미터 전압 상승), 소수 캐리어는 전류 흐름의 내부 재결합, 즉 테일 전류를 유발한다.

전기적 특성

IGBT는 기능을 위해 전압에 의존하며, 전도를 유지하기 위해 게이트 단자에 극소량의 전압만 공급되면 된다. 이는 포화 상태를 유지하기 위해 Base 영역에서 지속적인 Base 전류 흐름이 필요한 Bipolar Power Transistors와는 대조적이다.

IGBT는 단방향 장치로, "정방향"(Collector에서 Emitter로)으로만 전류를 전환할 수 있다. 이는 양방향 전류 스위칭이 가능한 MOSFET과 구별되는 특징이다. 실제로 MOSFET은 정방향 전압에서는 제어가 가능하지만, 역방향 전압에서는 제어가 불가능하다.

IGBT는 동적 조건에서 래치업 전류를 경험할 수 있다. 래치업 전류란 장치가 꺼질 때 발생하며, 연속 ON 상태에서 구동 전류가 임계값을 초과할 때 나타난다. 또한 Gate-Emitter 전압이 임계 전압 아래로 내려가면 소자를 통해 작은 누설 전류가 흐르며, 이때 Collector-Emitter 전압은 공급 전압과 거의 동일해진다. 이러한 상태에서 IGBT는 차단 영역에서 동작한다.

IGBT의 적용

IGBT는 MOSFET과 BJT처럼 소신호 증폭기에서 사용할 수 있다. 하지만 IGBT는 두 소자의 장점을 모두 결합했기 때문에 전도 손실이 낮고 스위칭 속도가 빠르다.
이로 인해 IGBT는 스테레오 시스템, 기차, VSF, 전기 자동차, 에어컨 등 대부분의 최신 전자 장치에 널리 사용된다.

IGBT 와 MOSFET

IGBT와 MOSFET

IGBT는 고전압, 낮은 스위칭 주파수, 고전류 구성에 가장 적합하다. 반면, MOSFET은 저전압, 높은 스위칭 주파수, 중간 전류 영역에서 가장 효과적이다.

IGBT는 스위칭 손실이 높기 때문에, 스위칭 주파수가 20kHz 미만인 응용에서 주로 사용된다.

상전압 선간전압

minseououo — Wed, 6 Nov 2024 16:53:54 +0900

분전함을 열고 차단기(MCCB) 단자를 전기 테스터기로 측정해 보면 다음과 같이 a, b, c 상과 N 선간에는 220V, 상과 상사이에는 380V의 전압이 나온다. 그런데 220과 380의 관계를 보면 220의 루트 3배가 380이다.

전기 공부를 하다 보면 루트 3이라는 숫자를 굉장히 많이 보게 되는데, 우연찮게도 220에 루트 3을 곱하면 380이 나온다.

220에 루트 3을 곱하면 380이 나오는 이유를 알아보자

상전압과 선간전압 이란?

변압기의 2차 측 Y 결선으로부터 분전함 차단기까지의 대략적인 결선도는 다음과 같다. 중성선 N과 a, b, c 상과의 전압(전위차)을 상전압, a, b, c 상간의 전압(전위차)을 선간전압이라고 한다.

상전압과 선간전압 표기법

220V의 루트 3배가 380V인 가장 큰 이유는 a, b, c 상이 같은 위치에 있지 않고 120˚ 위상 차이를 두고 위치해 있기 때문이다. 따라서 변압기의 Y 결선의 3개의 상은 120˚ 위상 차이를 두고 위치해 있으므로 상전압( Va, Vb, Vc )와 선간전압( Vab, Vbc, Vca )를 벡터 위상도로 나타내면 다음과 같다.

상전압과 선간전압 벡터 위상도

상전압 Va, Vb, Vc는 크기가 같으므로 Va= Vb= Vc이다. 마찬가지로 선간전압도 Vab= Vbc= Vca이다. 상전압 Va = 1로 놓고 선간전압 Vab 값을 구해 보자. 선간전압은 제2 코사인법칙(하단의 참조)을 이용하면 간단히 계산을 할 수 있다.

제2코사인 법칙을 이용하여 선간전압 Vab를 계산하면 다음과 같다.

여기서 cos120˚는 삼각비를 이용하여 변환해 계산한다.

상전압 Va 가 1일 때 선간전압 Vab는 루트 3이 된다. 아래 비례식에 위해 선간전압은 상전압의 루트 3배라는 사실을 알 수가 있다.

따라서 상전압이 220V이므로 루트 3을 곱하면 380V가 나오게 된다.

제2 코사인 법칙을 이용한 선간전압 계산

제2 코사인 법칙과 삼각비를 이용하여 선간전압을 계산한다.

선간전압의 벡터도

선간전압 Vab는 상전압 Va와 Vb의 전위차이므로 Vab = Vb - Va = Vb + ( - Va )로 표시할 수 있다. 즉, 선간전압 Vab는 Vb 와 - Va 의 합이다.

따라서 벡터 Vb와 벡터 - Va의 합벡터는 평행사변형 법에 의해 선간전압인 Vab가 된다. 그리고 적색 Vab 와 청색 Vab는 크기가 같은 벡터이다.