3 트랙션 인버터를 활성화하는 핵심 기술

트랙션 인버터는 절연 기술, 저전압 영역에서 구현되는 기술 및 고전압 도메인에서 구현된 기술을 필요로 합니다. 절연 게이트 드라이버, 디지털 아이솔레이터, 절연 아날로그-디지털 컨버터 및 솔리드 스테이트 릴레이에서 볼 수 있는 TI의 정전식 절연 기술은 유전체로 이산화규소를 사용하는 정전식 회로에 강화 신호 절연을 통합하였습니다. 그림 3-1은 트랙션 인버터 시스템의 예를 보여줍니다. 절연 장벽(빨간색 점선)은 저전압 도메인과 고전압 도메인을 분리합니다.

저전압 영역에서 MCU(마이크로컨트롤러)는 전원 스위치에 PWM(펄스 폭 변조) 신호를 생성합니다. MCU는 폐쇄 루프에서 감지 및 속도 제어를 실행하고 호스트 기능을 처리하여 필수 하드웨어 및 소프트웨어 보안과 안전한 코드 실행 요구 사항을 충족합니다. 또한 안전한 전원 트리를 구현하면 MCU와 중요한 전원 레일의 전원이 끊기지 않습니다. 12V 자동차 배터리에 연결된 PMIC(전원 관리 통합 회로) 또는 시스템 기반 칩이 MCU에 전원을 공급합니다. MCU는 리졸버 또는 홀 효과 센서의 아날로그 프론트 엔드와 상호 작용합니다.

고전압 영역의 주요 기능은 다음과 같습니다.

• 전원 스위치 – 일반적으로 SiC(실리콘 카바이드) 또는 IGBT(절연 게이트 양극 트랜지스터) 기반 전원 모듈은 보호 및 모니터링 기능을 통해 절연 게이트 드라이버에 의해 제어됩니다
• 절연 게이트 드라이버 – 절연 장치를 통해 고전압 영역으로부터 흐르는 위험한 DC 또는 제어되지 않은 과도 전류를 방지하면서 고전압 장치와 저전압 장치 간에 데이터 및 전력 전송이 가능합니다.
• 바이어스 전원 - 저전압 측에서 입력을 받아 전원 스위치에 대한 게이트 드라이브 전압을 생성하는 갈바닉 절연 전원 공급 장치입니다
• 절연 전압 및 전류 감지 – DC 링크 전압 및 모터 위상 전류를 감지하고 모터에 올바른 토크가 적용되도록 합니다
• 능동 방전 – DC 버스 커패시터 전압을 안전한 전압으로 방전합니다. 역기전력(EMF)을 생성할 수 있는 모터 유형에 대해 활성 방전이 필요합니다. 유엔 유럽경제위원회(EEA)의 유엔 규정 제 94호(UN)는 DC 버스 콘덴서 전압이 5초 이내에 안전한 전압(60V)으로 떨어지도록 요구하고 있습니다. 또한 시스템 고장을 방지하기 위해 중요한 기능에 대한 자체 테스트를 수행하는 진단 회로가 포함되어 있습니다.

인버터 제어 및 안전 체계도 차량 유형에 따라 다릅니다. 예를 들어 PMSM은 고효율, 낮은 토크 리플, 넓은 속도 범위를 가지고 있기 때문에 영구자석 동기 모터(PMSM)를 활용할 수 있습니다. PMSM은 필드 지향 제어라고도 하는 페이스 벡터 PWM 제어를 사용하는 경우가 많습니다. 로터 자기에 수직인 고정자 벡터를 생성하는 방식으로 고정자 전류를 제어하면 토크가 생성됩니다. 고정자 전류를 업데이트하면 고정자 플럭스 벡터가 항상 로터 자석에 대해 90도 각도로 유지됩니다. PHEV 및 BEV의 다른 인기 있는 모터 유형에는 인덕션 모터, 외부 자극 동기 기계 및 스위치 자기 저항 기계가 포함됩니다.

값비싼 희토류 재질의 영구 자석을 줄이기 위해 외부에서 여자되는 동기 모터(EESM)는 보조 액슬뿐 아니라 차량의 기본 액슬 무버로 성장하고 있습니다. 이 모터를 사용하는 목적은 비용을 줄이는 것입니다. 예를 들어 100kW 최대 전력 요구량은 약 1.5kg의 자석이 필요하고 제조 및 유지보수 노력을 줄이는 것입니다. EESM 시스템 유형에는 전도성 EESM 및 인덕티브 EESM(iEESM)이 있습니다. EESM을 사용하는 상용 차량에는 Toyota Prius, Chevrolet Bolt EV, Ford Focus Electric, VW e-Golf, BMW iX3, 등이 있습니다.

그림 3-1 트랙션 인버터 시스템 블록 다이어그램