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EV 트랙션 인버터 분석 가속화
EV 트랙션 인버터의 분석을 가속화하는 것은 전기 자동차의 발전에 매우 중요합니다. EV 파워트레인의 중심에서 트랙션 인버터와 모터는 중추적인 역할을 합니다. 이러한 하위 시스템을 개선하면 차량의 최대 주행 거리, 성능 및 비용의 개선으로 직결됩니다.
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.
완전한 벤치 셋업 보기반복적인 인버터 측정 기술
트랙션 인버터 및 모터의 기능 블록.
전기 자동차의 인버터 및 모터 기술 이해
전기차는 다양한 종류의 전기 모터를 사용하지만 모두 모터 고정자에 PWM 전압 신호를 적용하여 120도 간격으로 배치된 세 개의 사인파 전류를 생성해야 합니다. 고전압 입력의 변조는 주로 20kHz에서 100kHz 범위의 주파수로 스위칭하는 고전압 IGBT나 MOSFET에 의해 수행됩니다. 설계자들은 안전한 타이밍을 유지하면서 스위칭 동안의 에너지 손실을 최소화하기 위해 노력합니다.
게이트 드라이버는 마이크로컨트롤러(MCU) 서브시스템에 의해 제어되며 스위칭 장치의 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 멀티 전류 및 전압 파형은 오토모티브 오실로스코프 및 이를 사용하는 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.
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.
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.
EV 트랙션 인버터 테스트 시스템
전기 자동차의 구동 장치 설계를 테스트하려면 오실로스코프, 적절한 프로브, 시그널 소스, 애플리케이션 소프트웨어가 필요합니다. 이 시스템은 사용자의 애플리케이션에 맞게 사용자 정의할 수 있습니다.
적응성과 정확성을 목표로 설계된 텍트로닉스의 트랙션 인버터 시스템 SOLN-IMDA-EV은 적응성과 확장성을 위해 설계되었습니다.
자세한 내용을 살펴보고, 어떻게 파워트레인의 성능을 최적화하면서 업계 표준과 규제를 충족하도록 당사의 EV 트랙션 인버터 테스트 레퍼런스 솔루션을 맞춤화할 수 있는지 알아보세요.
| 장비/프로브/옵션 | 수량 | 설명 |
| EA 10000 Series | 1 | Programmable bidirectional power supplies and regenerative electronic loads |
| 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 |
EV 전력 측정 및 테스트를 위한 추가 리소스
EV 트랙션 인버터 관련 핵심 용어집
트랙션 인버터: 차량 배터리의 직류(DC)를 교류(AC)로 변환하여 전기 모터를 구동하는 장치입니다.
PWM 전압 신호: 트랙션 인버터의 출력은 PWM(펄스 폭 변조) 전압 신호입니다. 인버터는 펄스 폭을 변조하여 전기 모터의 속도와 토크를 제어합니다.
SiC 전력 반도체: SiC(탄화규소) 전력 반도체는 기존 실리콘 기반의 반도체와 비교했을 때 탁월한 속성을 보유하고 있어 트랙션 인버터에 사용되는 광대역 밴드갭 장치입니다. 더 효율적이며 고온에서 작동할 수 있고 더 높은 주파수에서 전환할 수 있습니다.
IGBT 및 MOSFET: IGBT(절연 게이트 양극성 트랜지스터)와 MOSFET(금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터)는 트랙션 인버터의 전환에 사용되는 트랜지스터의 유형입니다.
FOC: FOC(필드 지향 제어)는 로터 자기장의 직축(D) 및 횡축(Q) 사이의 각도를 제어함으로써 토크와 모터의 효율성을 최적화하는 모터 제어 전략입니다.
FAQ(자주 묻는 질문)
트랙션 인버터란 무엇이고 전기 자동차에서는 어떤 역할을 하나요?
트랙션 인버터는 전기 모터를 위해 전기 자동차 배터리의 DC 전력을 AC 전력으로 변환합니다. 이 장치는 차량의 움직임과 효율성에 중요한 속도, 토크 및 방향을 제어합니다.
트랙션 인버터에서 테스트를 거치는 주요 매개 변수는 무엇인가요?
중요한 매개 변수에는 출력 전압 및 전류 파형 품질, 주파수 전환, 열 성능, EMI(전자기 간섭) 및 다양한 부하 조건에 대한 응답 등이 있습니다.
트랙션 인버터에서 SiC 전력 반도체의 역할은 무엇인가요?
모터/인버터 컨트롤러에서 필드 지향 제어는 어떻게 사용되나요?
중요한 인버터 신호를 분석할 때의 어려움으로는 어떤 것이 있나요?
트랙션 인버터의 효율성 테스트는 어떻게 수행되나요?
효율성 테스트에는 다양한 부하 조건에서 입출력 전력을 측정하는 작업이 포함됩니다. 효율성은 입력 전력에 대한 출력 전력의 비율로 계산되며 인버터의 에너지 변환을 최적화하는 데 도움이 됩니다. 트랙션 인버터의 입력과 모터의 기계적 출력에서 전기적 변수를 모두 측정할 수 있기에 엔지니어는 전반적인 시스템 효율성을 결정할 수 있습니다.
트랙션 인버터 테스트에는 어떤 도구가 사용되나요?
오실로스코프, 프로브 및 특수 분석 소프트웨어가 일반적인 도구입니다. 이러한 도구는 파형을 포착하고, 전기적 특성을 측정하고, 온도를 모니터링하며, 전자기 배출을 평가합니다.
오실로스코프는 트랙션 인버터와 모터 분석에 어떤 도움을 주나요?
Tektronix 고성능 오실로스코프 솔루션을 사용하면 트랙션 인버터의 복잡하고 역동적인 PWM 출력을 빠르고 정밀하게 분석하여 엔지니어가 트랙션 시스템의 효율성과 안정성을 최적화할 수 있게 도와줍니다. 다음을 통해 시스템 성능을 높이고 시장 출시 시간을 단축하십시오.
- 전기, 기계, 시스템 효율성과 DQ0 측정을 포함한 3상 위상 PWM 분석 소프트웨어. 지원 센서: Hall, QEI, Resolver
- 모터 시동 프로파일 분석을 위한 오실로스코프 시계열 추이 도표
- CAN, LIN 및 SENT와 같은 일반적인 차량 프로토콜용 시리얼 프로토콜 디코딩
- 신호 주입을 위한 임의 함수 발생기
- 고전압 및 회전 장비로부터 안전한 거리에서 작동할 수 있는 PC 기반 원격 제어
- 해당 요구 사항을 지원하기 위해 IMDA 솔루션은 전력 품질 측정에 대해 시계열 추이 도표와 취득량 추이 도표라는 두 가지 고유한 추이 도표를 제공합니다.
- Acq (Acquisition) trend plots는 여러 번의 취득 과정에서 모터 파라미터가 변화함에 따라 특정 동적 측정치를 기록합니다
- 특정 배선에 대해 선간 전압(Line-Line)을 상전압(Line-Neutral)으로수학적 변환을 지원합니다. 완전 중성선 배선이나 프로빙이 어려울 때 유용합니다.
- DC 입출력 배선 구성을 위해 인버터 및 자동차 3상 설계를 분석합니다.
- 인버터 테스트에 가장 적합한 DC-AC 토폴로지의 효율성을 측정하도록 배선 및 필터를 구성합니다.