반드시 주의해야 할 모터/릴레이 & 파워회로 설계

게재월 | 2006 - 06 조회1444 추천0

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 마이컴이 폭주하고 구동 트랜지스터가 파괴된다

릴레이에는 다이오드를 병렬로 접속해둔다


1. 릴레이를 ON/OFF하면 마이컴이 폭주하거나 구동 트랜지스터가 파괴된다
그림 1은 DC 모터의 정역전이 가능한 구동회로이다. 릴레이를 사용한 모터의 정역전 구동회로는 데드 타임 제어 등 특별한
조치를 취하지 않아도 전원에서 그라운드를 향해 과대 전류(관통전류)가 흐르지 않는다. 이것은 릴레이가 반도체와 달리 기계적으로 스위치 동작을 실행하기 때문이다. 기계적인 접점은 고속 응답이 안 되므로 제어신호에 대해 실제 전환동작이 자연적으로 지연된다. 이 지연이 정전에서 역전으로 전환될 때 더 좋은데드 타임을 만들어 낸다.
그림 1에서 릴레이를 구동하여 역전에서 정전으로 전환했더니 마이컴이 폭주해버렸다. 또 반복 릴레이를 ON/OFF했더니
구동용 트랜지스터(Tr1)까지 파괴돼버렸다.


▲ 그림 1. 릴레이를 사용한 모터의 정역전 제어회로 (릴레이의 ON/OFF를
반복하니 마이컴이 폭주하여 Tr1이 파괴됐다)


2. 원인
릴레이 내부에는 전자석이 내장되어 있다. 전자석의 코일에 전류가 흐르면 전자석은 자화하여 접점을 끌어당긴다. 그림 2(a)와 같이 Tr1이 ON되면 릴레이 내부의 코일에 서서히 전류가 흐르기 시작, 어떤 크기에 도달하면 안정된다.


▲ 그림 2. 트랜지스터가 파괴되는 구조


다음에 Tr1이 OFF되어 전류를 차단하려고 하면 코일은 Tr1컬렉터 측에 높은 전압을 인가, Tr1을 파괴해서라도 흐르도록 한다. 이것은 다음과 같은 식으로 나타나는 코일의 기본적인 성질에 의한 것이다.

 
여기서, VL : 코일 양단에 발생하는 전압, ΔI : 코일에 흐르는 전류의 변화량, L : 코일의 인덕턴스, Δt : 변화에 필요한 시간
예를 들어 Tr1이 OFF되는 시간을 10㎲, ΔI를 20mA, L을 약0.4H라고 하면 계산상으로VL은 800V나 된다.
VL은 Tr1의 컬렉터 쪽이 전원 쪽보다 높아지도록 발생한다.
Tr1이 OFF된 직후, 코일에 유기된 전압 VL은 배출될 곳이 없다.
결국 Tr1의 내압을 초과할 때까지 상승하고 결국에는 Tr1을 파괴하여 그라운드로 유출된다.
유출된 펄스상의 전류는 큰 방사 노이즈를 발생시키면서 그라운드의 전위를 크게 요동시킨다. 이렇게 다양하고 큰 노이즈가마이컴의 동작에 지장을 준다.


3. 다이오드를 병렬로 하여 기전력의 배출 장소를 만든다
그림 3과 같이 릴레이 코일과 다이오드를 병렬로 접속하면 유도기전력은 다이오드를 순환하여 흡수된다. 다이오드와 릴레이코일간의 배선은 노이즈의 발생 요인이 되므로 이 다이오드는릴레이 코일에서 가까운 곳에 설치한다.


▲ 그림 3. 릴레이에 다이오드를 병렬로 접속해둔다


서보 제어하고 있는데도 DC 브러시리스 모터가 폭주했다

회전 펄스는 최대 회전수까지 확실하게 포착한다


1. DC 브러시 모터가 폭주하여 회전수가 급상승한다
그림 4는 코깅이 작은 DC 브러시리스 모터의 서보 제어회로이다. M1은 3상 홀 모터이다.


▲ 그림 4. DC 브러시리스 모터의 서보 제어회로



그림 5와 같이 Ha, Hb, Hc는 로터의 자계를 검출하는 센서이다. IC1은 이러한 센서의 출력신호를 읽으면서 모터의 기동과 코

일 전류의 전환 타이밍을 조정한다.


▲ 그림 5. 3상 홀 모터의 구조


그림 5에서, 로터의 주위에는 360이(齒)의 NS 쌍(FG이)이 착자하고 있고 로터가 회전함으로써 발생하는 자계를 홀 소자나
MR 센서 등의 자기 센서로 검출한다. 마이컴은 이러한 센서가 검출하는 신호(FG 신호)의 주기를 측정하여 필요한 회전수가 되도록 PWM의 듀티를 변화시킨다.
FG 펄스의 주파수는 최대 회전수가 6,000rpm(=100rps)인경우, 36kHz(=100×360)로 된다. 이 주파수에 대해 IC2에서
FG 신호가 감쇠되고 FG 펄스가 결락하면 모터의 회전수는 다음과 같은 구조로 계속 상승한다.
FG 신호가 없어진다, 또는 부족하다 → 마이컴은 FG 주기가매우 길다고 판단한다 → 모터 회전수를 올린다
결락의 원인은 모터에서 발생하는 큰 노이즈가 FG 센서의 출력에 중첩되거나 IC2의 주파수 특성이 좁기 때문이다.


2. 대책
다음과 같이 마이컴의 소프트웨어로 대책을 세운다.
① 목표 회전수의 범위가 좁은 경우, 리미터를 넣어 회전수를 제한한다
② 목표값에 가까운 시간에 타임 리밋을 설정하고 그 이상은 폭주라 판단하여 모터를 정지한다


정전에서 역전으로 전환했을 뿐인데 모터 제어 IC가 파괴됐다

풀 브리지는 모든 트랜지스터를 OFF한 후에 전환한다


1. 모터 구동 IC가 파괴된다
DC 브러시 장착 모터는 전용 IC를 사용할 경우 간단히 구동할수 있다. 그림 6은 바이폴러 트랜지스터로 구성된 풀 브리지 출력단을 내장한 DC 모터의 구동 IC이다. 데드 타임 제어회로는내장되어 있지 않다. 정회전 중에는 Q1과 Q3이 ON, Q2와 Q4OFF되고 역회전 중에는 Q2와 Q4가 ON, Q1과 Q3이 OFF된다.

이 회로에서 모터를 정전 모드에서 역전 모드로 전환했더니 IC가 파괴되었다.


▲ 그림 6. DC 모터 구동 IC TA8429H의 내부 블록도


2. 원인
알아두어야 할 부분은, 바이폴러 트랜지스터는 베이스 전압을0V로 해도 즉시 OFF되지는 않는다는 점이다. 정전에서 역전으로 전환되는 동작을 생각해보자. 그림 7을 보기 바란다.


▲ 그림 7. 정전/역전 전환 시 풀 브리지 출력단의 동작 (상태 2와 상태 4일 때 전원과 그라운드 사이에 큰 전류가 흐른다)


정전에서 역전으로 전환되면 Q1과 Q3이 OFF되지 않는 동안Q2와 Q4가 ON되어 4개의 파워 트랜지스터가 모두 ON 상태로
된다[그림 7(a)]. 이것은 전원과 그라운드가 쇼트된 상태이므로매우 큰 전류(관통전류)가 흐른다. 이렇게 되면 IC는 물론, 전지등의 전원에서도 연기가 나올 수 있다.


3. 대책
그림 8과 같이 정전에서 역전(역전에서 정전)으로 전환하기전에 모든 트랜지스터가 OFF되는 기간(데드 타임)을 설정한다.


▲ 그림 8. 정전에서 역전으로 전환하기 전에 일단 모든 트랜지스터를 OFF한다
(역전에서 정전으로 전환할 때에도 마찬가지이다)


구체적으로는, 정전에서 역전으로 전환되기 전에 일단 제어 IC를 STOP 모드로 넣는다. 데드 타임의 최적값은 IC에 따라 다르지만, 파워 트랜지스터 축적시간의 10배 정도를 예측하여 30μ~100㎲로 한다.
바이폴러 트랜지스터는 베이스에 전하를 주입할 경우, 컬렉터-이미터 사이에 전류가 흘러 ON된다. 그리고 베이스에 전하
가 있는 동안 계속 ON된다.
이 전하는 베이스-이미터간 전압을 0V로 해도 얼마 동안 이동을 계속하고 컬렉터 전류를 흘린다. 데이터시트에는 축적시간
(tstg)이라는 특별한 이름으로 기재되어 있으며 2SD1309인 경우 3.5㎲이다. 트랜지스터가 완전히 OFF될 때까지의 시간은 축적 시간에 하강시간을 더한 값이다.


파워 MOSFET을 스위칭시켰더니 발열하며 파괴됐다

게이트는 출력 임피던스가 낮은 회로에서 구동한다


1. 스위칭 구동일 경우 전력소자의 손실이 없는데도 발열하고 파괴된다?
스위칭 회로는 원리적으로 전력소자의 손실이 제로이다. 그래서 그림 9와 같은 회로에 PWM 제어신호로 모터를 구동했더니파워 MOSFET이 발열, 파괴됐다. 파워 MOSFET의 ON 저항은수십mΩ으로 작아 발열이 작아야 하는데 이상했다.


▲ 그림 9. Tr2가 발열, 파괴되는 DC 브러시 모터 구동회로


그림 9에 나타난 입력신호의 펄스 파형 주파수를 10kHz로 설정, 파괴되기 전 Tr1 베이스의 입력파형과 Tr2 드레인의 파형을 관측해 보았다. 예상과 달랐던 부분은 Tr2의 드레인 상승파형이라운딩되어 있었던 점이다. 라운딩되어 있는 기간에는 Tr2의 드레인-소스 사이에 전압이 인가된 채 드레인 전류가 흐르므로 스위칭할 때마다 큰 손실이 발생한다.

전력소자의 손실을 작게 하려면 드레인 전압을 끊어 단시간에 강하시키거나 상승켜야 한다.


2. 파워 MOSFET은 콘덴서 덩어리
그림 10과 같이 파워 MOSFET의 각 전극 사이에는 수천pF의 용량이 존재하고 있으며 ON/OFF할 때마다 충방전 전류가 흐른다. 그림 9의 회로에서 Tr1이 OFF되면 Tr2의 게이트에 충전이 실행되고 Tr2는 ON된다. 이 때 Tr1의 컬렉터 저항 RC 10㏀의 저항을 통해 Tr2의 용량에 조금씩 충전이 실행되므로 Tr2는 천천히스위칭된다.
Tr1이 ON되고 Tr2가 OFF될 경우, 10㏀은 동작에 관계없이Tr2의 게이트에서 Tr1의 컬렉터, 이미터를 향해 방전전류가 재빨
리 흐르므로 드레인 전압파형은 라운딩되지 않는다.


▲ 그림 10. 파워 MOSFET은 콘덴서 덩어리


3. 대책
파워 MOSFET을 저임피던스로 구동하면 된다. Tr1의 컬렉터저항 RC를 220Ω으로 하여 ON일 때의 전류용량을 늘리면, 펄스주파수가 10kHz일 때에도 드레인 파형은 라운딩되지 않는다.
Tr2는 발열이 감소되므로 파괴되지 않는다.
그림 11은 74HC04 2개를 병렬 접속한 구동회로이다. 사진에 나타난 것은 이 때의 각 부 파형이다.


▲ 그림 11. 표준 로직을 사용한 저임피던스 게이트 구동회로


또한 그림 12는 NPN형, PNP형의 트랜지스터를 조합한 컴플리멘터리 이미터 폴로워 회로이다. 트랜지스터를 변경하면 전류용량을 크게 할 수 있고 수백kHz의 펄스 주파수에도 대응할 수 있는, 범용성이 우수한 회로이다.


▲ 그림 12. 트랜지스터를 사용한, 높은 범용성의 저임피던스 게이트 구동회로



파워 MOSFET이 연기를 내뿜으며 파괴됐다

하이 사이드의 ON/OFF에 필요한 게이트 전압을 확인한다


1. 하이 사이드의 파워 MOSFET이 파괴됐다
그림 13은 P채널과 N채널의 파워 MOSFET을 조합한 풀브리지 회로이다. 정전(CW)일 때는 Tr1과 Tr3이 ON, Tr2와 Tr4

OFF이고 역전(CCW)일 때는 Tr1과 Tr3이 OFF, Tr2와 Tr4가 ON 되는 것이었다. 그림 13에서 모터를 정전시켰더니 Tr3과 Tr4
연기를 내뿜으며 파괴됐다.


▲ 그림 13. 파워 MOSFET으로 구성한 풀 브리지 회로에 의한 모터 구동회로

(정전시켰더니 Tr3, Tr4가 연기를 내뿜으며 파괴됐다)


Tr2와 Tr3에 사용한 N채널 파워 MOSFET은VGS가 2V 이상에서 ON, 2V 이하에서 OFF된다. 따라서 마이컴이 출력하는
0~5V의 신호에서 확실히 ON/OFF된다. Tr2와 Tr3이 ON되어있을 때의 회로는 그림 14와 같이 간단화할 수 있다.


▲ 그림 14. Tr3이 ON되어 있을 때의 회로(그림 13)를 간단화


그림 15는 Tr1과 Tr4에 사용한 MOSFET(2SJ80)의VGS -ID성이다. VGS가 -2V 이하(게이트 전위가 소스 전위보다 2V 이상낮음)일 때 ON된다는 것을알수있다.


▲ 그림 15. Tr1과 Tr3(2SJ380)의 VGS -ID 특성


그림 13에 있어서 정전 시의 마이컴은 Tr4를 OFF하려고 5V를출력하지만 Tr4의 게이트-소스 사이에는 모터 전원전압과 5V
차이인 -5V가 인가되어 있으므로 OFF되지 않는다. 즉, 항상ON 상태로 되어 있다. 그 결과, 그림 16과 같은 경로로 큰 전류가흘러 Tr3과 Tr4가 연기를 내뿜으며 파괴된 것이다.


▲ 그림 16. 정전 시의 회로(그림 13)를 간략화


2. 대책
그림 17과 같이 마이컴의 출력포트와 MOSFET의 게이트 사이에 트랜지스터를 삽입, 마이컴의 제어출력 0~5V를 0~10V로
레벨 변환한다. 트랜지스터를 삽입하였으므로 Tr1과 Tr4의 논리가 반대로 되기 때문에 정전 시에는 D1과 D3이 “H”, 역전 시에는 D2와 D4가“H”로 된다.

▲ 그림 17. 대책 후의 회로


스위칭 주파수를 올리면 발열한다

고전압의 ON/OFF에 역회복이 긴 다이오든 금물


1. 주파수를 올리면 부트스트랩 다이오드가 발열한다
그림 18은 최대 출력전압 100VRMS, 출력 최대 약 100W인PWM 파워 앰프의 종단이다.


▲ 그림 18. PWM 구동신호의 주파수를 올렸더니 D1과 D2가 발열돼버린 파워 앰프


Tr1을 ON하기 위해서는 IC1의VB 단자에 +211V의 전압을 인가해야 한다. 이 전압은 Tr2가 ON(Tr1은 OFF)될 때 C1 양단의 전압을 11V로 충전함으로써 얻을 수 있다. Tr2가 OFF되면 C1은VS 단자의 전위를 기준으로 동작하는 11V 출력의 전원과 같이 기능한다.
PWM 앰프는 일정주기의 펄스 듀티를 바꿈으로써 원하는 출력전압을 얻는다. 주기가 짧을수록 충실도가 높아지므로 PWM
주파수는 가급적 높게 해야 한다. 그림 18의 회로에서는 스위칭주파수가 80kHz를 초과할 경우 D1, D2가 발열한다. MOSFET이 발열하여 히트 싱크를 부가하는 경우는 있지만 다이오드의 발열은 예상 밖이었다.


2. 대책
다이오드는, 전류가 순방향으로 흐르는 상태에서 급격하게 역방향의 큰 전압을 인가할 경우, 그림 19와 같이 역방향으로 전류(역회복전류)가 흘러 큰 손실이 발생한다.
이 손실의 크기는 역전류와 역전압(약 200V)의 곱이 된다. 특히 그림 19의 tb 기간동안 발생하는 손실은 크며 발열에 관여한다.

▲ 그림 19. 다이오드는, 순방향전류가 흐르고 있는 상태에서 역전압을 인가하면 큰 손실이 발생한다


PWM 주파수를 올리면 역전압이 인가된 순간의 파형 상승시간이 달라진다.
표 1은 역회복 시간trr이 다른 3개의 다이오드에 역전압을 인가했을 때의 발열량 차이이다.


▲ 표 1. 역회복 시간과 발열


 trr이 작은 것일수록 발열이 적다는 것을 알 수 있다. 또 역회복전류의 경사dir/dt이 완만한 것일수록 발열은 적어진다. 이것을 소프트 리커버리라고 한다. HFA08TB60은 trr이 짧고dir/dt이 완만한 고속 소프트 리커버리 다이오드이다.


노이즈 대책을 실행했는데도 마이컴이 폭주했다

DC 브러시 모터의 노이즈 제거 콘덴서는 직접 달지 않는다


1. DC 브러시 모터는 노이즈를 발생시킨다
DC 브러시 모터를 회전시켰더니 마이컴이 폭주해버렸다. 그림 20은 DC 브러시 모터의 내부구조이다.


▲ 그림 20. DC 브러시 모터의 구조 (회전 중에는 브러시와 정류자 사이에서 불꽃이 튈 정도로 잡음이 발생한다)


회전자는 2개의 브러시에 접촉하면서 회전한다. 이 때 회전자와 브러시 사이에는 불꽃이 튀고 있으며 저주파에서 고주파에 걸쳐 큰 노이즈를 발생시킨다.
사진 1은 RE260(마부치모터)의 단자 2개 사이의 전압파형이다.

▲ 사진 1. DC 브러시 모터의 전극에 발생하는 노이즈 파형
(사용 모터 RS260, 50mV/div., 0.5ms/div.)


 브러시 , 와 접촉하는 정류자 , 가 전환되는 타이밍에서 큰 노이즈가 발생하고 있다. 회전하고 있는 DC 브러시 모터 근처로 AM 라디오를 가져와 보면 굉장한 노이즈가 발생하고있다는 것을 알 수 있다. 그래서 그림 21(a)와 같이 모터와 콘덴서를 병렬로 접속하여 노이즈를 흡수하도록 했다. 그러나 그렇게 해도 마이컴은 폭주해버렸다.


▲ 그림 21. DC 브러시 모터에서 항상 발생하는 노이즈를 흡수
하기 위해 콘덴서를 추가했더니 마이컴이 폭주했다


2. 원인과 대책
모터와 마이컴 기판을 접속하고 있는 배선이 콘덴서의 효력을없애고 있었다. 배선에는 인덕턴스 성분과 저항성분이 포함되어있어 콘덴서의 효력을 묻어버린다. 콘덴서는 노이즈의 발생원을가급적 가까이 설치해야 한다. 그림 22와 같이 모터의 단자에 콘덴서를 직접 달 필요가 있다.


▲ 그림 22. 콘덴서는 모터의 전극에 아주 가까이 설치하지 않을 경우 효과가 없다


금속 타입의 브러시가 내장된 모터는 더욱 큰 노이즈가 발생한다. 이러한 모터의 경우, 단자에 콘덴서를 직접 다는 것만으로는 효과를 기대할 수 없다. 용량을 크게 하면 약간 효과가 있지만 PWM 제어인 경우, 그 폐해로 구동신호의 파형이 라운딩 돼버린다.
이러한 경우에는 전원 또는 그라운드에서 대책을 세운다. 그림 23과 같이 전원 측에 필터를 넣는 동시에 마이컴의 전원 라인과 모터의 전원 라인이 겹치지 않도록 한다. 그래도 마이컴이 폭주할 경우에는 마이컴과 모터의 전원을 분리하여 2전원 구성으로 한다.

▲ 그림 23. 큰 노이즈가 발생하는 금속제 브러시가 내장된 DC 브러시 모터에서의 대책


기동했더니 구동 트랜지스터가 파괴됐다

DC 브러시 모터의 기동 전류는 의외로 크다


1. 트랜지스터의 전류정격은 모터 구동전류의 3배 이상이나 되는데 왜 파괴될까?
그림 24와 같이 마이컴에서 DC 브러시 모터의 회전을 ON/OFF했더니 트랜지스터 Tr1이 파괴돼 버렸다. 사용한 모터는
RS260, 단자전압VE는 3V, 적정부하 시(최대 효율일 때)의 회전수 N은 10,100rpm, 구동전류 ID는 0.97A였다. 구동 트랜지스터는 최대 컬렉터 전류가 3A인 2SC3004로 했다. 트랜지스터의 전류정격은 0.97A의 3배 이상으로 충분한데도 파괴됐던 것이다.

▲ 그림 24. 마이컴에서 DC 브러시 모터를 회전시키려고 했더니 Tr1이 파괴됐다


2. 원인
먼저 RS260의 특성을 상세히 조사해 보았다. 그림 25는 단자전압 3V를 인가했을 때의 특성이다. 가로축은 토크T, 세로축은매분의 회전속도 N과 모터에 흐르는 전류 ID이다. 회전속도는무부하 시 가장 빨랐고(12,300rpm), 전류는 0.2A 정도였다. 부하를 가하면 필요한 토크는 커지고 회전수는 내려갔다. 회전이정지되는 0rpm일 때, 토크와 전류는 최대로 된다. 이 때 전류는4.7A나 된다. 이 상태가 기동 시의 상태에 해당한다. 기동 시에는적정 부하일 때의 전류값에 비해 약 4.8배 정도의 전류가 흐른다.

▲ 그림 25. 사용한 DC 브러시 모터 RS260의 회전 성능


3. 대책
그림 26은 대책 후의 회로이다. 모터의 특성 분산을 고려, 최대 컬렉터 전류가 6A 이상인 트랜지스터 2SD2241 [IC (max)=8A]로 교환했다.

▲ 그림 26. 대책 후의 회로 (Tr1을 전류정격이 큰 것으로 변경하고 소프트 스타트회로를 추가했다)


전원회로도 기동 시 5A 이상 출력할 수 있도록 변경해야 하지만 힘든 일이다. 이를 피하기 위해 모터에 인가되는전압을 서서히 크게 하여(소프트 스타트라고 한다) 기동전류를감소하도록 연구했다. 그림 26은 콘덴서의 충전 특성을 이용한간단한 소프트 스타트 회로이다. Tr1의 이미터 출력에서 모터를구동하므로 전원전압을 3V에서 5V로 올렸다.




本記事는 日本CQ出版社가 發行하는「トランジスタ技術」誌(2005年11月號)와의 著作權協定에 依據하여 提供받은 資料입니다.



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