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가변 주파수 드라이브(VFD)는 산업 및 자동차 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 핵심 기술은 반도체 스위치를 사용한 고주파펄스 폭 변조(PWM)입니다. 주로 4~16kHz 범위의 스위칭 주파수로 작동하는 두 단계 인버터는 모터를 구동하기 위해 3상 사인파 기본 전압 또는 전류를 생성합니다. 400V 이상의 버스 전압에서는 IGBT가 응용 분야를 지배하고 있습니다. SiC MOSFET와 같은 광대역 갭 소자의 등장으로, 이 소자들의 우수한 스위칭 성능이 모터 드라이브 개발에 큰 주목을 받고 있습니다. SiC MOSFET는 Si IGBT 대비 스위칭 손실을 약 70% 줄일 수 있으며, 동일 효율을 거의 3배 높은 스위칭 주파수에서 달성할 수 있습니다. SiC MOSFET는 저항처럼 동작하며, IGBT의 PN 접합 전압 강하가 없어 특히 경부하 상태에서 전도 손실을 줄입니다. 더 높은 PWM 주파수와 더 높은 모터 드라이브 기본 주파수가 가능해지면, 출력 전력을 동일하게 유지하면서 극 수를 늘려 모터 크기를 줄일 수 있습니다. 8극 모터는 동일 출력 전력에서 2극 모터보다 크기를 40% 줄일 수 있습니다. 높은 스위칭 주파수는 고밀도 모터 설계를 가능하게 합니다. 이러한 성능들은 고속, 고효율 및 고밀도 모터 드라이브 응용 분야에서 SiC MOSFET의 큰 잠재력을 보여줍니다. Tesla Model 3에서 SiC MOSFET의 성공적인 적용은 SiC 기반 모터 드라이브 시대의 시작을 알렸습니다. 향후 800V 배터리 차량과 산업용 고급 응용 분야에서 SiC MOSFET가 자동차 트랙션 응용 분야를 주도할 것으로 예상됩니다.

SiC MOSFET의 이점을 완전히 활용하기 위해서는 현재 IGBT 기반 솔루션보다 dv/dt(스위칭 속도)와 스위칭 주파수를 10배 이상 높여야 합니다. SiC MOSFET가 큰 잠재력을 가지고 있음에도 불구하고, 현재 모터 기술과 드라이브 시스템 구조로 인해 장치의 응용은 아직 제한되어 있습니다. 대부분의 모터는 고인덕턴스 코일과 큰寄생 전압이 특징입니다. 인버터에 연결된 모터를 연결하는 삼상 케이블은 기본적으로 LC 회로를 형성하며, 아래에서 보듯이 인버터 출력부의 높은 dv/dt 전압은 이 LC 회로를 자극하여 모터 단자에서 인버터 출력 전압의 두 배까지 도달할 수 있는 전압 스파이크가 발생할 수 있습니다. 이는 모터 코일에 상당한 전압 스트레스를 가합니다.

인버터가 모터에 직접 연결되면 케이블 전압 링잉은 더 이상 존재하지 않습니다. 그러나 아래 그림에서 보듯이, 높은 dv/dt 전압 변화가 와inding에 직접 가해질 수 있으며, 이는 와inding의 노화를 가속시킬 수 있습니다. 또한, 높은 dv/dt 전압은 베어링 전류를 유발하여 베어링 마모 및 조기 고장을 일으킬 수 있습니다.

다른 잠재적인 문제로는 EMI(전자기적 방해)가 있습니다. 높은 dv/dt와 높은 di/dt는 더 높은 전자기적 방해를 발생시킬 수 있습니다. 모든 설계는 IGBT 기반 솔루션과 SiC 기반 솔루션 모두에 대해 이러한 효과들을 고려해야 합니다.

이러한 문제를 완화하기 위해 다양한 기술들이 개발되었습니다. 모터와 인버터 드라이버가 분리되어야 하는 경우, dv/dt 엣지 필터나 사인파 필터가 효과적인 해결책이 될 수 있지만, 추가 비용이 발생합니다. IGBT 인버터가 상업적으로 이용 가능해진 이후로 모터 설계 자체도 계속해서 개선되고 있습니다. 더 나은 절연 성능의 전자기선과 개선된 모터 코일 감기 구조 및 차폐 방법 덕분에 모터의 dv/dt 처리 능력은 초기 몇 V/ns에서 크게 향상되었으며, 궁극적으로 40-50V/ns 목표에 도달할 것입니다. SiC 기반 인버터는 매우 효율적이며, 일반적으로 40kHz에서는 98.5%, 20kHz에서는 99%의 효율을 달성합니다. 드라이버 손실 때문에 통합형 모터 드라이브가 가능하며, 매력적인 시스템 솔루션으로 부각되는데, 이는 모든 케이블과 단자 연결을 제거하고 시스템 크기와 비용을 줄이는 역할을 합니다. 완전히 봉쇄된 인버터 드라이버와 모터는 EMI 방출을 줄이는 효과적인 방법입니다. 베어링 전류는 접지된 스프링이나 브러시를 사용하여 모터 샤프트를 정자에 단락시키면 우회할 수 있습니다. 소형, 고효율, 저중량 그리고 통합된 모터 드라이브는 산업용 로봇, 항공 및 수중 드론 등에 널리 사용됩니다.

구동 시스템 크기 축소 외에도 SiC MOSFET는 고속 구동을 가능하게 합니다. 고속 드라이브는 자동차, 항공우주, 스피들, 펌프 및 압축기에서 점점 더 큰 관심을 받고 있습니다. 일부 응용 분야에서는 고속 드라이브가 최신 기술이 되었으며, 일부 특수 응용 분야에서는 고속 드라이브의 채택으로 성능과 능력이 향상되어 제품 품질과 혁신 측면에서 긍정적인 영향을 미쳤습니다.

통합된 드라이브 응용

평활한 사인파 구동을 제공하려면 VFD 스위칭 주파수가 교류 전류 주파수보다 적어도 50배 이상 높아야 합니다. 따라서 스위칭 주파수, 극 쌍 수, 모터 속도 간의 관계는 다음과 같습니다:

f_PWM = 50∙ 극-쌍 ∙ rpm /60

즉, 일반적인 4극 모터의 경우 10 krpm에 도달하려면 f_PWM가 16.6kHz가 되어야 하며, 이는 약 IGBT 스위칭 주파수의 최대값입니다. 따라서 10 krpm 이상의 모든 모터 속도에서는 SiC MOSFET가 선호되거나 유일하게 유효한 옵션으로 됩니다. 모터의 전력 밀도를 높이기 위해 극 쌍 수는 일반적으로 증가하며, 이는 더 높은 PWM 스위칭 주파수가 필요함을 의미합니다. SiC의 적용은 모터 설계의 새로운 개선과 혁신을 촉진할 것입니다.