전기 모터 드라이브 활성화의 마지막 단계

가변 속도 드라이브(VSD)는 주요 제어 전력 공급 장치와 인버터 전자 장치의 전력 공급, 즉 이전 시리즈 블로그에서 설명한 게이트 드라이버 및 전류 감지 회로를 제공하기 위해 특정한 상류 회로 설계가 필요합니다. 이러한 내용은 그림 1에서 도식적으로 강조되고 있으며, 일반적인 VSD 아키텍처의 개략적인 모습을 보여줍니다.

이 블로그는 그림 1의 VSD에서 강조된 블록 내에서 두 가지 중요한 전원 공급 주제를 다룹니다:

제어 전력 보호

VSD 내에서 주요 제어 전원 공급 장치(일반적으로 24V)를 과도현상 및 비정상 조건으로부터 보호하는 것은 매우 중요합니다. 그 이유는 이 전원 레일에 일반적으로 두 개의 경로가 있기 때문입니다. 첫 번째 경로는 이전 블로그에서 설명한 바와 같이 AC 메인 또는 고압 DC 버스에서 절연된 전력 변환 단계를 통해 24V 제어 전원 공급 장치가 생성되는 경우입니다. 그러나 이 24V 레일은 일반적으로 VSD에 연결된 보조 전원 입력을 통해 직접 공급될 수도 있습니다. 대부분의 자동화 환경에서는 제어 설비 범위에 대해 제어 캐비닛 주위에 24V 전원을 배포하며, VSD는 일반적으로 이러한 공급을 이용합니다. 이 보조 24V 입력은 컨버터에서 생성된 24V 공급과 보통 다이오드 OR로 연결되어 한 번에 하나의 공급원만 활성화되도록 보장합니다.

이 기능을 사용할 수 있다는 장점은 AC 메인 전원이 떨어지거나 트립하더라도 일반적으로 보조 24V 전원이 계속 작동하여 VSD의 제어 전자 장치가 지속적으로 전력을 공급받을 수 있도록 한다는 점입니다. 이를 통해 VSD를 빠르게 재시작하고 컨텍스트 정보를 잃지 않을 수 있습니다. 그러나 단점은 VSD 전원 공급 장치가 이제 공장의 24V 공급 시스템에 존재하는 모든 전압 과도 현상에 노출된다는 것입니다. 이러한 현상은 배전 케이블에서 전압 링이 발생하게 하는 부하 스위칭, 시스템을 통해 전파되는 번개 사건, 인근 전기장이나 인간 접촉으로 인한 정전기 방전, 케이블에서 수신된 전자기 간섭 등으로 인해 발생할 수 있습니다. 따라서 이 보조 전원 입력에 대한 완벽한 보호가 필요합니다.

VSD 기능 안전 표준 IEC 61800-5-2 부록 A (섹션 B.3.2)는 이러한 24VDC 레일에 대해 권장되는 전원 공급 장치(PS) 및 전압 모니터(VM) 하위 시스템을 보여줍니다. 이 하위 시스템은 역극성, 과전류 및 전압 과도 현상과 같은 다양한 일반적인 결함으로부터 보호합니다.

에너지 수준과 지속 시간이 다양할 수 있는 과도 상태를 다루는 것은 개별 회로를 설계하는 데 시간이 많이 걸리고 오류가 발생하기 쉬우며 장기적인 신뢰성이 낮을 수 있습니다. Analog Devices의 Surge Stopper 제품군과 같은 통합 솔루션은 입력 역극성 감지 및 보호, 과전류, 단락 및 돌입 전류 감지 및 보호, 고전압 과도 상태 차단을 포함한 IEC 61800 요구 사항을 모두 통합합니다.

Figure 3은 IEC61800-5-2 보호 권장 사항의 잠재적 구현으로 Analog Devices의 서지 스토퍼 솔루션 사용을 보여줍니다. LT4363 또는 통합 MOSFET 변형인 LTC4381과 같은 구성 요소는 주요 제어 전원 공급 장치를 위한 견고하고 신뢰할 수 있는 보호 솔루션을 제공할 수 있습니다.

저전압 부하 지점(Point-Of-Load, POL) 전력

주요 제어 전원 공급 장치의 다운스트림에는 저전압(<12V) 전원 레일이 위치합니다. 이들 전원 레일은 대부분 메인 컨트롤러 장치(CPU, FPGA), 기타 디지털 구성 요소(메모리, 트랜시버, 인터페이스), 아날로그 회로(ADC, DAC, 연산 증폭기 등), 그리고 I/O 장치 및 단자를 직접적으로 구동하는 점 부하(Point-of-Load, POL) 전원 공급 장치입니다. 이러한 전력 아키텍처의 구체적인 설계는 각 VSD에 따라 고유하며 일반적으로 말하기는 어렵지만, 이러한 전원 공급 방식의 대표적인 접근 방식은 그림 4와 그림 5에 설명되어 있습니다. 그림 4에서는 일부 주요 저전압 레일을 위해 단일 단계 스위칭 레귤레이터(single-stage switching regulators)가 사용되며, noise에 민감한 아날로그 레일 또는 낮은 전압 수준에서 매우 낮은 전류의 레일을 위해 다운스트림 저전압 강하(LDO) 레귤레이터가 추가됩니다.

그림 5에서는 단일 중간 레일(이 경우 5V)이 생성되고, 이후 POL 장치가 필요로 하는 개별 레일로 추가적으로 다운됩니다. 또한 여기에서는 복잡한 다중 컨트롤러 시스템이 사용되는 많은 VSD에서 중요할 수 있는 전원 레일의 시작 시퀀싱 또는 트래킹 필요성을 보여줍니다.

POL 전원 공급 아키텍처 설계는 복잡하며 전체적인 효율, 비용, 공간 및 노이즈와 관련된 여러 가지 트레이드오프가 포함됩니다. Analog Devices의 LTpowerCAD, LTpowerPlanner, LTSPICE와 같은 도구는 설계 과제를 크게 간소화할 수 있습니다.

요약

이 블로그는 VSD 내에서 전원 공급 장치에 대한 주제를 완료했으며, 주요 제어 전원 공급 장치의 보호 회로의 중요성을 강조하고 POL 저전압 공급 설계와 관련된 문제에 대해 다뤘습니다.