EV 트랙션 인버터 및 모터 측정 및 분석

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.

인버터 출력의 3상 전압, 전류 및 전력 측정

자세히 알아보기:

3상 전력 분석용 오실리스코프에서 페이서 다이어그램을 사용하는 방법 자세히 알아보기

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 측정은 출력 파형값을 사용하여 제어 시스템 계수를 계산하고 표시합니다​.

자세히 보기:

오실로스코프를 사용한 모터 제어 시스템의 DQ0 분석 백서

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.

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

자세히 알아보기:

이중 펄스 테스트에 대해 자세히 알아보기