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전기 자동차 트랙션 인버터 및 모터​

트랙션 인버터 및 모터는 전기 자동차 구동 장치의 핵심입니다. 이러한 하부 시스템 내의 효율성 향상은 차량의 범위, 성능, 비용의 개선으로 직접 이어집니다.​

SiC 전력 반도체를 채택하면 인버터를 더욱 효율적이고 콤팩트하게 만들 수 있습니다. 제어 알고리즘 및 모터 구성은 까다로운 효율성과 비용 목표를 달성할 수 있도록 최적화되고 있습니다.​

전기 자동차 설계자는 새 트랙션 인버터 설계를 다양한 모터 설계와 결합하여 전기 자동차의 요구에 고유하게 부합하는 새로운 하이브리드 구조를 만들어내고 있습니다.

반복적인 인버터 측정 기술​

Block diagram of electric vehicle traction inverter and motor

트랙션 인버터 및 모터의 기능 블록​.

트랙션 인버터 및 모터 기술​

전기 자동차는 다양한 종류의 전기 모터를 사용하지만, 모든 전기 자동차가 120° 간격으로 떨어진 정현파 전류를 발생시키기 위해서는 모터 고정자에 PMW 전압 신호를 가해야 합니다. 고전압 입력은 보통 20~100kHz의 주파수에서 스위칭하는 고전압 IGBT 또는 MOSFET에 의해 변조됩니다. 설계자들은 스위칭 시 안전한 타이밍을 유지하면서 에너지 손실을 최소화할 수 있도록 노력하고 있습니다. ​

게이트 드라이버는 MCU(마이크로컨트롤러) 하부시스템에 의해 제어되며 스위칭 장비의 타이밍을 결정합니다. 제어 회로는 고전압 섹션에서 전기적으로 절연되어야 합니다.​

인버터 컨트롤러는 FOC(Field-oriented control)과 같은 DSP 알고리즘을 사용하여 PWM 출력을 정확하게 바꾸곤 합니다. 드라이버의 입력 및 모터의 전류 속도에 기초하여, 인버터의 MCU는 로터의 직접 축(D)과 자기장 또는 직교축(Q) 간의 각도를 제어함으로써 원활한 최적의 토크를 전달합니다. 모터 로터의 인코더 또는 리졸버와 같은 센서는 로터 각도에 대한 피드백을 제공합니다.

중요한 인버터 신호 분석

펄스 폭 변조 및 다상 전류 및 전압 파형은 오실리코프 및 그에 의존하는 엔지니어에게 주어진 오랜 과제였습니다. 하지만 이러한 파형의 확인과 측정은 인버터의 신뢰성, 견고성, 전력 밀도 및 효율성을 최적화하는 데 아주 중요합니다.

6, 8채널 오실로스코프의 도입으로 3상 시스템 연구가 쉬워졌지만, 인버터의 경우 다음과 같은 특수 측정 기술도 필요합니다.

  • PMW 신호는 트리거하기가 어려우므로 안정적이고 반복 가능한 측정값을 얻기가 어렵습니다. 안정적인 시간 기준을 얻으려면 특별한 주의를 기울여야 합니다.
  • 3상 시스템 분석에는 전체 시스템뿐만 아니라 개별 단계의 전압, 전류, 각도 및 전력 측정이 필요합니다. 페이서 다이어그램은 규모, 각도, 밸런스 관찰에 이상적입니다.

4/5/6 시리즈 오실로스코프의 인버터, 모터, 드라이브 분석 소프트웨어는 PWM 출력의 트리거링과 3상 측정 설정을 단순화합니다. 페이서 다이어그램 디스플레이는 3상 전기 문제를 시각적으로 이해하고 디버깅하는 데 도움을 줍니다.

Oscilloscope measurements on traction inverter outputs

인버터 출력의 3상 전압, 전류 및 전력 측정


자세히 알아보기:

3상 전력 분석용 오실리스코프에서 페이서 다이어그램을 사용하는 방법 자세히 알아보기

Measuring traction inverter electrical parameters under different motor loads

VRMS, IRMS, 실제 전력, 위상차, 피상 전력, 무효 전력을 포함하는 100개 이상의 취득에 대한 전력 변수 플롯


자세히 알아보기:

인버터 모터 드라이브 분석 데이터시트

모터 부하 변경 시 시스템 동작 이해

전력 밀도와 효율성을 추구할 때는 다음을 포함한 다양한 테스트 조건에서 드라이브와 모터의 동적 성능을 이해하고 분석하는 것이 중요합니다.

  • 모터 시동
  • 다른 모터 부하
  • 모터 정지

테스트 시간은 테스트 계획에 따라 수 초에서 수 분까지 달라질 수 있습니다. 레코드 길이가 긴 오실로스코프는 실행 시 모든 관련 정보를 저장하고 파형과 플롯으로 결과를 보여줍니다. 고속으로 데이터를 포착함으로써 엔지니어가 특정 파형 영역을 확대하여 문제를 정확히 찾아낼 수 있게 해줍니다. 반대로 전력 분석기는 일반적으로 보정된 3상 측정 방식을 지원하지만, 높은 샘플링 속도의 데이터에는 접근할 수 없습니다.

DQ0 등의 벡터 제어 변수 보기​

폐쇄 루프 인버터와 모터 시스템은 피드백을 사용하여 개방 루프 시스템 대비 속도와 토크에 대한 탁월한 제어를 제공합니다. 폐쇄 루프 '벡터' 컨트롤러는 실시간 연산을 수행하여 각도와 전류 피드백을 실시간으로 선형 확장이 가능한 더욱 단순한 변수(D, Q)로 변환합니다. 확장된 D와 Q 변수는 그 후 역변환되어 스위치를 구동하는 데 사용되는 변조기에 입력값을 제공합니다. ​

이러한 중요한 계산은 컨트롤러 내부에서 일어나기 때문에 다른 시스템 변수와 관련하여 D, Q를 연구하기란 어렵습니다. 5/6 시리즈 B MSO의 IMDA 애플리케이션은 엔지니어가 컨트롤러에 대한 통찰력을 얻는 데 도움이 되는 고유한 측정 방식인 DQ0(Direct Quadrature Zero)를 지원합니다. 이것은 Park의 변환과 Clarke의 변환 조합을 적용하여 인버터의 출력 파형에서 D, Q를 수학적으로 계산합니다. 그 결과는 수치로 된 측정값과 결과 벡터값을 갖는 페이서 다이어그램으로 표시됩니다. 인코더 각도를 통합함으로써, 엔지니어는 QEI 인덱스 펄스와 함께 사용될 때 로터 자석 제로 포지션과 정렬된 DQ0 벡터를 관찰할 수 있습니다. 이러한 시각적 도구는 실제 모터 작동 시 컨트롤러의 성능에 고유한 가시성을 부여합니다.

DQ0 vector control parameters measured on an oscilloscope

DQ0 측정은 출력 파형값을 사용하여 제어 시스템 계수를 계산하고 표시합니다​.

Measuring electric vehicle motor torque and speed with an oscilloscope

획득 추세와 히스토그램은 속도 변화를 나타냅니다. 홀 센서는 지원되는 센서 유형의 하나입니다.​

기계적, 전기적 측정 방식의 상관 관계

전자 장치와 알고리즘에서 결정의 영향을 이해하기 위해 엔지니어들은 모터의 기계적 성능을 전기 측정과 서로 연관시킬 수 있어야 합니다. 모터의 각도, 방향, 속도, 가속도 및 토크는 시스템의 성능을 이해하는 핵심입니다. 트랙션 인버터의 입력과 모터의 기계적 출력에서 전기적 변수를 모두 측정할 수 있기에 엔지니어는 전반적인 시스템 효율성을 결정할 수 있습니다.

속도, 방향, 각도 등의 기계적 측정은 테스트 장비에 의해 디코딩 및 표시되어야 하는 센서 신호에 따라 달라집니다. 많은 BLDC 모터에는 디지털 또는 아날로그 프로브를 사용해 접근할 수 있는 내장 홀 센서가 장착되어 있습니다. 다른 시스템은 QEI(직교 인코더 인터페이스) 센서에 따라 달라질 수 있습니다.

토크 측정은 모터 출력에서 특별한 목적의 토크 센서를 사용하여 수행할 수 있습니다. 토크는 척도 인자를 RMS 전류에 적용하여 근사값을 구할 수도 있습니다.

Tektronix IMDA 소프트웨어를 사용하면 센서 신호를 디코딩할 수 있어 5, 6 시리즈 B MSO 오실로스코프에서 속도, 가속도, 방향, 각도 및 토크를 표시할 수 있습니다.

와이드 밴드갭 전력 장치 통합의 영향 이해​

800V 아키텍처로의 전환은 케이블 및 배터리 비용 절감, 열 손실 감소 및 시스템 효율성 향상과 같은 장점을 제공합니다. SiC MOSFET을 사용하면 더 높은 스위칭 전압과 더 낮은 스위칭 손실이 가능하지만, 실리콘 장치를 기반으로 하는 기존 테스트 방식은 더 이상 적용되지 않습니다.

와이드 밴드갭 반도체 테스트의 주요 과제는 다음과 같습니다.​

  • 고전력 레벨에서 전류 및 전압 프로빙
  • 일반 모드 전압이 아주 높은 상태에서 MOSFET의 높은 쪽 신호를 정확히 측정​
  • 이중 펄스 테스트와 같은 표준 테스트를 통한 스위칭 손실 측정​

Tektronix는 오실로스코프, 고전압 차동 프로브, 전류 프로브, 광학적으로 절연된 프로브, 시그널 소스 및 정밀 전원 공급 장치를 포함한 SiC MOSFET 기반의 트랙션 인버터를 테스트하기 위한 솔루션을 제공합니다.

Double pulse testing using a function generator and oscilloscope

이중 펄스 테스트 소프트웨어는 Eon 및 Eoff 측정에 일관적인 자동 측정 기술을 사용합니다.


자세히 알아보기:

이중 펄스 테스트에 대해 자세히 알아보기

Oscilloscope system for measuring electric vehicle traction inverters

전기 자동차 트랙션 인버터 및 모터 레퍼런스 시스템​

전기 자동차의 구동 장치 설계를 테스트하려면 오실로스코프, 적절한 프로브, 시그널 소스, 애플리케이션 소프트웨어가 필요합니다. 이 시스템은 사용자의 애플리케이션에 맞게 사용자 정의할 수 있습니다. ​

장비/프로브/옵션 수량 설명
MSO58B-BW1000* 1 1GHz, 8채널 스코프
5-PRO-AUTOMOTIVE-3Y 1 인버터, 모터 및 드라이브 소프트웨어 분석 옵션 5-IMDA, 5-IMDA-DQ0, 5-IMDA-MECH 및 자동차 직렬 버스용 디코딩을 포함한 자동차 솔루션 번들
THDP0200 3 200MHz, +/-750V, 고전압 디퍼런셜 프로브
TCP0030A 3 120MHz, 30암페어, 분할 코어 AC/DC 전류 프로브
TLP058 1 8채널 로직 프로브
TEKSCOPE-ULTIMATE 1 IMDA 분석 및 종합 직렬 버스 지원을 포함하는 오프라인 분석용 TekScope PC 소프트웨어
TEKDRIVE-STARTER 1 TekDrive 데이터 저장 구독, 개별 계층, 연간 사용자 라이선스

제품

Tektronix AFG31000 function generator

AFG31000

InstaView™ 기술이 내장된 AFG31000 시리즈는 내장 파형 발생 애플리케이션, 특허를 바탕으로 실시간 파형 모니터링 및 최신 사용자 인터페이스가 포함된 고성능 함수 발생기입니다.

5 series B MSO - MSO58B

5 시리즈 B MSO 혼합 신호 오실로스코프

5 Series MSO is a mixed signal oscilloscope with a high definition display with a touchscreen, up to 8 inputs, 12-bit analog-to-digital converters and bandwidth up to 2 GHz.

IsoVu 절연 프로브

프로빙 시스템은 커먼 모드 신호나 노이즈 발생 시에도 고해상도 측정을 수행합니다.

6 Series B MSO Mixed Signal oscilloscope

6 시리즈 B MSO <br /><br />혼합 신호 오실로스코프

1GHz부터 최대 10GHz까지 업그레이드 가능한 대역폭으로 고속 설계의 문제를 해결하고 유효성을 검증할 수 있습니다.