PowerCraftMotion
EN기술 협력 문의
POWER CONVERSION / MOTOR CONTROLGaN HEMT / MOTOR DRIVE

POWER INMOTION.

고효율 구동을 위한
GaN 인버터 설계.

PMSM·BLDC 모터용 GaN HEMT 인버터를 개발합니다. 전력 손실, 냉각 조건, 전류 제어를 함께 검토하며 효율과 출력 향상을 목표로 설계합니다.

인버터 개발 살펴보기 심화 연구실
차동 전압 프로브와 U/V/W 전류 클램프를 구성한 GaN 인버터 동력계 시험대 콘셉트. PC의 AI 테스트 자동화 시뮬레이션과 계기의 계산 파형·전력·역률을 표시합니다.
INVERTER / MOTOR구동계 콘셉트
GaN INVERTER / 설계 목표150 × 95 × 30 mm

MAX 80 V DC250 A rms · 상전류

AXIAL-FLUX MOTOR CONCEPT · 냉각 검토: 수냉 / 공냉Resolver, Hall, Encoder

위치 피드백 옵션 · 설계 검토 대상

POWER INTO MOTIONPOWER INTO
MOTION.
01 POWER ELECTRONICS02 THERMAL DESIGN03 MOTOR CONTROL
01 / THE ENGINEERINGA SYSTEM-LEVEL APPROACH.

전력·열·제어를
함께 설계합니다.

소자 특성과 운전 조건을 기준으로
전력단, 냉각 구조, 제어 요구를 검토합니다.

GaN HEMT INVERTER

다음은 설계 원리와 검토 기준에 관한 설명입니다. 제품 시험 결과나 확정 사양과는 구분됩니다.

01POWER ELECTRONICS전력 회로

빠른 전환은 스위칭 손실을 줄이는 데 유리하지만, 전류 변화가 빠를수록 배선의 기생 인덕턴스에 의한 전압 오버슈트가 커질 수 있습니다. 소자 선택과 PCB 배치는 함께 검토해야 합니다.

게이트 전압과 구동 임피던스는 소자의 허용 조건에 맞춰 정합니다. 전력 루프, 게이트 루프, 전류 귀환 경로가 링잉·오동작·전자파 방출에 미치는 영향을 검토합니다.

설계 검토 항목

루프와 배치
전력 루프·게이트 루프의 기생 성분, 디커플링 위치
스위칭 파형
전압·전류 파형, 오버슈트·링잉, 구동 조건
GaN 게이트 구동 · TI (새 탭에서 열림)루프와 레이아웃 · TI (새 탭에서 열림)
02THERMAL DESIGN열 설계

도통 손실과 스위칭 손실은 전력단의 주요 발열 원인입니다. 동작 전류·스위칭 주파수·소자 온도에 따른 손실을 산정하고, 소자에서 냉각계까지의 열 경로를 검토합니다.

연속 운전과 짧은 피크 부하에서는 열응답이 다릅니다. 피크 접합온도를 평가하려면 평균 손실과 정상 상태 열저항뿐 아니라 부하 지속시간·반복 주기·과도 열응답을 고려해야 합니다.

설계 검토 항목

정상 상태
주변 온도·냉각 조건·연속 부하에서의 접합온도
과도 상태
피크 부하의 지속시간·반복 주기·열 임피던스

도통·스위칭 손실의 기본 관계

단일 소자의 손실을 이해하기 위한 근사식입니다.

채널 도통 손실

채널 도통 손실은 전류 실효값의 제곱과 온저항의 곱으로 근사합니다.

온저항이 일정할 때 도통 손실은 전류 실효값의 제곱에 비례합니다. Iᵣₘₛ는 소자 한 개의 온 상태 채널 전류를 전체 주기에서 평가한 실효값이며, 오프 구간은 0으로 둡니다. 모터 상전류 RMS나 온 구간만의 RMS와 구분하며, 이 값에 듀티를 다시 곱하지 않습니다. 실제 RDS(on)은 온도 등 동작 조건에 따라 달라집니다.

스위칭 전환 손실

스위칭 전환 손실은 주파수와 켜짐·꺼짐 에너지 합의 곱으로 근사합니다.

Eon·Eoff가 일정하면 스위칭 주파수가 높을수록 전환 손실이 증가합니다. 이 식은 주기당 턴온·턴오프 한 쌍을 가정합니다. Eon·Eoff는 동작 전압·전류·게이트 구동 조건에 따라 달라집니다.

전체 인버터 손실은 별도 산정이 필요합니다. 손실 항목의 측정 범위를 확인해 누락과 중복을 피해야 합니다.

MOSFET 손실과 냉각 설계 · Infineon (PDF, 10–11쪽) (새 탭에서 열림)
03MOTOR CONTROL모터 제어

모터 제어와 과전류 보호에는 적절한 시점의 전류 정보가 필요합니다. 스위칭 직후의 잡음과 신호 안정화 시간, 센서 위치, PWM 타이밍과 ADC 지연을 검토해 유효한 측정 구간을 정합니다.

같은 하프브리지의 상·하단 스위치가 동시에 도통하지 않도록 데드타임을 설정합니다. 이 시간은 역방향 도통 손실에도 영향을 주므로, 게이트 구동 지연과 스위칭 시점을 함께 검토합니다. 고장 감지부터 차단까지의 응답도 별도로 확인합니다.

설계 검토 항목

측정과 제어
센서 위치·신호 안정화·샘플링 시점·모터 피드백
보호와 타이밍
게이트 구동 지연·데드타임·고장 감지 및 차단 경로
PWM과 전류 측정 타이밍 · TI (새 탭에서 열림)

FROM DC POWER TO MOTOR DRIVE

DC 전원에서 모터 구동 전압으로.

인버터는 DC 전원을 스위칭해 모터에 인가할 전압을 만듭니다. 전류 측정과 모터 피드백을 바탕으로 제어·보호 조건을 검토합니다.

INPUTDC 전원
CONVERSIONGaN HEMT인버터
MOTIONPMSM / BLDC모터

개념적 에너지 흐름 · 실제 제품 구성이나 사양을 나타내지 않습니다.

WHY GaN / BEYOND THE DEVICE

GaN의 장점과
설계상 고려사항.

게이트 전하, 역방향 도통, 스위칭 주파수는 전력단의 손실과 동작 특성에 영향을 줍니다. 소자 특성과 회로 조건을 함께 확인해야 하는 이유입니다.

01GATE CHARGE

게이트 전하와 전환 속도

작은 게이트 전하는 빠른 전환과 게이트 구동 손실 저감에 유리합니다.

실제 전환 속도는 소자 특성·드라이버·배선의 기생 성분에 따라 달라집니다.

게이트 구동 원리 · TI (새 탭에서 열림)
02REVERSE CONDUCTION

역방향 도통과 손실

증가형(e-mode) GaN에는 p–n 바디다이오드에 의한 역회복 전하가 없습니다.

역방향 도통과 출력 커패시턴스의 충방전 전류는 발생합니다. 데드타임 중의 전압 강하와 도통 시간, 커패시턴스 충방전 손실은 각각 검토해야 합니다.

GaN 역방향 도통 · TI (새 탭에서 열림)
03SYSTEM TRADE-OFF

스위칭 주파수의 선택

빠른 전환은 스위칭 주파수 선택의 여지를 넓힙니다.

주파수 증가에 따른 전환·구동 손실과 전류 리플, 전자파 영향을 함께 검토합니다. 출력 커패시턴스의 충방전과 관련 손실도 회로·스위칭 조건에 따라 달라집니다.

GaN 손실 메커니즘 · TI (새 탭에서 열림)

ENGINEERING / LOSS & HEAT

운전 조건에 따른 손실과 발열.

반도체의 도통·스위칭 손실과 자성부품의 코어·권선 손실을 비교하고, 발생한 열이 냉각계로 전달되는 경로를 살펴봅니다.

LOSS ATLAS / DEVICE TO SYSTEM

인버터 손실 분석

도통·스위칭·자성부품의 손실 모델을 비교하고, 인버터 총손실을 계산할 때 필요한 합산 범위와 조건을 살펴봅니다.

총손실의 합산 범위

손실 합산 경계는 인버터 전체입니다. 자성부품 손실 항은 인버터 내부에 실제로 존재하는 인덕터·변압기에만 적용합니다. 모터의 철손·동손은 인버터 손실과 구분합니다. 각 항의 시간 구간과 측정 경계를 맞춰 중복 합산을 피합니다.

Ploss,inv = ΣjPcond,j+ Psw,Σ + Prev,Σ+ Σm(Pcore,m + Pcu,m)+ Paux + Pother

j: 반도체 소자 · m: 자성부품 · cond: 온 상태 도통 · sw: 전환 · rev: 별도 역도통 · core/cu: 코어/권선 · aux: 앞 항에 포함하지 않은 구동·제어·보조전원 손실 · other: 커패시터·배선 등 나머지 손실

계산 도구를 준비하고 있습니다. 준비되면 입력할 수 있습니다.

CONDUCTION / SENSITIVITY

전류 파형과 유효 온저항

GaN 도통손실은 전류 파형과 통전 구간, 접합온도, 게이트 구동 조건, 직전 전압 스트레스에 따라 달라집니다. I²R 모델을 적용할 때도 이러한 조건을 확인해야 합니다.

도통손실의 전류 민감도
기준 대비 손실P / Pref
가로축 전류 비율 0.5에서 2, 세로축 손실 비율 0에서 4. 일정 저항 가정에서 전류 비율의 제곱을 표시합니다.012340.51.01.52.0
소자 온 상태 RMS 전류 비율I / Iref
모든 기준값은 양수 · 두 축 모두 무차원 · 제품 측정값 아님. 조작·표시 범위는 비교를 위한 예시이며 소자·재료의 물리적 한계나 허용 운전 범위가 아닙니다.

교육용 가정: 온저항·온도·통전 패턴을 고정하고 소자 전류 파형 전체를 같은 비율로 확대합니다. I는 전체 관측 구간의 소자 온 상태 RMS이며, Pref는 Iref에서의 도통손실입니다. Pcond / Pref = (I / Iref)².

1.00
기준 대비 손실1.000×
Pcond = Irms,on2· RDS(on)
심화 · 모델의 경계와 계산식
Pcond = (1/Tobs)∫0Tobs g(t) Reff(t) i2(t) dt
Reff(t) = RDS(on)(Tj(t), VGS(t), i(t), h(t))

저항성 온 상태에서 RDS(on)을 Tj, VGS, 소자 전류 i와 전기적 스트레스·회복 이력 h에 따른 유효 온저항으로 둡니다. g(t)는 온 상태 채널 도통 구간에서 1, 그 밖에서 0인 구간 선택 함수입니다. 스위칭 전환 구간과 오프 상태 역도통 구간은 분리합니다.

GaN의 동적 온저항은 DC 측정값과 다를 수 있습니다. 오프 상태 전압, 지속시간, 스위칭 조건 및 관측 시점을 맞춘 특성화가 필요합니다. 그래프는 이 의존성을 제거한 제한적 I²R 예시입니다.

Tobs [s]: 평균화 구간 · i [A]: 소자 전류 · RDS(on) [Ω] · Tj: 접합온도 · VGS [V] · g: 무차원. 온저항 일정 시 I²rms,on = (1/Tobs)∫g(t)i²(t)dt이며, 오프 구간을 0으로 둔 전체 구간 RMS입니다. 통전 비율이 이미 포함되므로 듀티비를 다시 곱하지 않으며, 모터 상전류 RMS를 그대로 대입하지 않습니다.

세 그래프의 기준 손실은 서로 다릅니다. 정규화 곡선을 더해 총손실·효율을 계산할 수 없습니다. 실제 손실 예측에는 소자·자성재료·권선·운전점 데이터를 넣어야 합니다.

02 / THERMAL PATH

접합 온도와 열전달 경로.

소자에서 발생한 열은 패키지·PCB·방열 구조의 열전달 경로를 통해 냉각계로 전달됩니다. 접합온도를 평가할 때는 손실 전력, 열저항, 주변 공기 또는 냉각 매체의 온도를 고려합니다.

  1. 소자 접합열이 발생하는 지점
  2. 패키지 / PCB열의 전달과 확산
  3. 방열 구조접촉면과 방열 경로
  4. 주변 / 냉각 매체주변 공기 또는 냉각 유체
단일 등가 열전달 경로 개념도
ΔT≈Ploss × Rθ

정상상태에서 단일 소자의 손실 Ploss [W]가 하나의 등가 경로로 전달되는 근사입니다. ΔT [K]는 접합과 주변 공기 또는 냉각 매체의 온도차이며, Rθ [K/W]는 같은 두 지점 사이의 등가 열저항입니다. 인버터 총손실을 소자 하나의 Rθ에 곱하지 않습니다. 여러 열원의 상호 가열, 병렬 열전달 경로와 과도 응답은 별도로 평가합니다.

개념 관계 · 실제 제품 측정값 아님

정상상태 열저항과 온도 상승 · Infineon (PDF, 6쪽) (새 창)
열전달 설계에 사용하는 다섯 가지 관계식전도 · 접촉 · 대류 · 복사 · 냉각수 열수지

HEAT TRANSFER / FROM MATERIAL TO SYSTEM

발생한 열은 어디로, 얼마나 빠르게 이동할까.

손실 전력은 열원이고, 접합온도는 열이 빠져나가는 경로와 냉각 경계의 결과입니다. 재료 내부의 전도, 접촉면의 온도차, 표면에서 유체로의 대류를 연결하면 온도 상승을 계산할 수 있습니다.

01 / CONDUCTION

전도 / 재료 내부를 통과하는 열

균질한 평판의 두께 방향으로 열이 흐르면, 두꺼울수록 열저항이 커지고 열전도율과 단면적이 클수록 작아집니다.

Rcond = L / (kA)Q̇ = (Thot − Tcold) / Rcond

정상상태·1차원 전도, 일정한 k·A, 내부 발열이 없는 층. L은 두께 [m], k는 열전도율 [W/(m·K)], A는 열흐름에 수직인 단면적 [m²]입니다. Q̇는 열전달률 [W], R은 열저항 [K/W]입니다.

02 / CONTACT

접촉 / 맞닿은 면 사이의 온도차

표면의 거칠기와 평탄도, 체결 압력은 실제 열접촉을 바꿉니다. 열 계면 재료(TIM) 내부의 전도 저항과 양면 접촉 저항은 서로 다른 항입니다.

Rct = 1 / (hcAct)ΔTct = Q̇Rct

hc는 면적당 접촉 열전달계수 [W/(m²·K)], Act는 그 계수를 적용하는 접촉면적 [m²]입니다. 이미 접촉 효과를 포함한 실측 TIM 열저항에는 같은 접촉 저항을 다시 더하지 않습니다.

03 / CONVECTION

대류 / 표면에서 유체로 전달되는 열

표면과 유체의 온도차가 열전달을 구동합니다. h는 유체의 물성, 유속, 유로 형상과 유동 상태에 따라 달라집니다.

Q̇conv = hAwet(Ts − Tfluid)Rconv = 1 / (hAwet)

h [W/(m²·K)], 대표 표면 온도, 평균 유체 온도를 이용한 집중정수 근사입니다. 유체와 접촉하는 면적 Awet [m²]는 TIM의 접촉 면적과 구분합니다.

04 / RADIATION

복사 / 표면 사이의 전자기 에너지 전달

복사는 절대온도의 네제곱 차에 따라 달라집니다. 동일한 표면에서 대류와 복사가 함께 일어나면 두 열전달률을 합산합니다.

Q̇rad = εσArad(Ts4 − Tsur4)

표면보다 충분히 큰 등온 주변으로만 복사하는 등온 회색 확산 표면, 형상계수 1, 비참여 매질을 가정합니다. Arad는 복사 면적 [m²], ε는 방사율, Ts·Tsur는 반드시 K, σ ≈ 5.6704 × 10⁻⁸ W/(m²·K⁴)입니다.

05 / COOLANT ENERGY BALANCE

냉각수 / 유량과 입·출구 온도의 열수지

냉각수가 흡수하는 순 열전달률은 질량유량과 온도 상승으로 연결됩니다. 동일한 흡수 열전달률에서 유량이 커지면 입·출구 온도차는 작아집니다.

Q̇coolant = ṁcp(Tout − Tin)

단상 유체의 정상상태에서 cp 일정, 축일과 운동·위치에너지 변화 무시. ṁ [kg/s], cp [J/(kg·K)], Q̇coolant [W]이며, 이는 냉각수에 실제로 유입되는 순 열전달률입니다.

계산 도구를 준비하고 있습니다. 준비되면 입력할 수 있습니다.

INTERACTIVE / STEADY-STATE RESISTANCE

열저항을 바꾸면 접합온도가 달라집니다.

단일 열원의 손실 100 W를 하나의 직렬 경로로 25 °C의 등온 유체 경계에 전달하는 정상상태 계산 예시입니다. TIM 두께, 열전도율, 대류 열전달계수를 바꿔 각 구간의 기여를 비교합니다.

조작 범위는 비교용이며 재료·냉각 방식의 물리적 한계가 아닙니다. 값은 제품 측정값이 아니며, 접촉·열확산 등 나머지 저항과 손실 전력은 고정합니다.

0.30 mm
3.0 W/(m·K)
1000 W/(m²·K)
계산 접합온도55.0 °C
총 열저항0.300 K/W
접합–유체 온도차30.0 K
Tj = Tfluid + PlossRtotalRtotal = Rfixed + RTIM + Rconv
직렬 등가 열경로 Ploss = 100 W
접합 / 열원55.0 °C
고정 열저항0.150 K/WΔT = 15.0 K
TIM 전도0.050 K/WΔT = 5.0 K
표면 → 유체0.100 K/WΔT = 10.0 K
유체 경계25.0 °C

Rfixed는 패키지·열확산·접촉 등 나머지 경로를 합친 고정 등가값입니다. 위 배열은 저항의 연결 관계이며 실제 부품의 적층 순서를 뜻하지 않습니다.

현재 총 열저항에서 각 항이 차지하는 비율
  • 고정 열저항50.0%
  • TIM 전도16.7%
  • 표면 → 유체33.3%

ATIM = 0.002 m² · Awet = 0.010 m² · Rfixed = 0.150 K/W. 이 직렬 예시는 별도의 복사·PCB 병렬 열경로를 두지 않습니다. 유체 경계 온도는 고정하며, 유로의 입·출구 온도 변화는 위의 냉각수 열수지로 별도로 계산할 수 있습니다.

TIM만 개선해도 고정 열저항과 대류 저항은 남습니다. 전체 경로에서 큰 저항을 찾는 것이 냉각 설계의 출발점입니다.

FIELD EQUATION → THERMAL CIRCUIT

공간의 온도 분포에서 시간 응답까지

전도·대류·복사 관계는 열확산 방정식의 내부 전달과 경계조건으로 연결됩니다. 이를 온도 노드와 열저항·열용량으로 축약하면 회로 형태의 열모델을 얻습니다.

열확산 방정식 / 정지 고체
ρcp ∂T/∂t= ∇·(k∇T) + q‴

ρ는 밀도 [kg/m³], cp는 비열 [J/(kg·K)], k는 등방성 열전도율 [W/(m·K)], q‴는 체적 발열률 [W/m³]입니다. 상변화와 열기계 결합을 제외한 고체에서, 단위 체적당 내부 에너지 증가율은 전도의 순 유입과 내부 발열의 합입니다.

q″ = −k∇T [W/m²]는 열유속입니다. 대류·복사는 표면 경계조건으로 연결하고, 접촉면에는 열유속에 따른 온도차를 둡니다. 초기 온도와 각 경계조건을 함께 지정합니다.

집중 열용량 / 하나의 온도 노드
Cθ dT/dt= P(t) − (T − Tb)/Rθ

노드 내부의 온도와 ρcp를 균일한 값으로 근사하면 Cθ = ρcpV [J/K]이며 V는 노드의 체적 [m³]입니다. 손실 전력 P(t) [W] 중 경계로 빠져나가지 못한 부분이 내부 에너지를 증가시킵니다. Tb는 일정한 기준 경계 온도, t는 시간 [s]입니다.

Rθ·Cθ 일정, T(0) = Tb에서 일정한 Pstep을 가하면 아래 계단 응답을 얻습니다. τ = RθCθ [s]는 시정수이며, Cθ는 정상상태 온도 상승을 바꾸지 않습니다.

ΔT(t) = PstepRθ(1 − e−t/τ)ΔT = T − Tb

온도 분포가 크면 여러 노드로 나눕니다. 물리적 경로를 나타내는 RC 열 등가회로와 데이터에 맞춘 Foster 열 등가회로를 구분하며, Foster 내부 노드를 실제 적층면으로 해석하지 않습니다.

FROM PRINCIPLES TO MODELS

좌표변환, 전류 제어, 열응답의 모델과 가정.

02 / THE INVERTER IN DEVELOPMENT
GaN HEMTPOWER STAGE / CONCEPT
GaN 소자 24개와 세로 방향 적층 세라믹 커패시터(MLCC) 배열, 제어·보호 회로를 배치한 3상 전력단 콘셉트
자속 상쇄를 고려한 전력 루프

같은 루프의 반대 방향 전류 경로를 가깝게 겹치면 자기장의 일부가 상쇄되어 루프의 기생 인덕턴스가 줄어듭니다. 스위치 근처의 DC 링크 커패시터와 스위치 사이의 연결을 짧게 유지하고, 스위칭 노드의 기생 커패시턴스도 함께 고려합니다.

인접한 두 도체의 반대 방향 전류를 보여주는 원리 단면도 L1 / POWER PATH → DIELECTRIC L2 / ← RETURN PATH

왕복 경로의 단면 원리도

EPC 전력 루프 배치 자료 (새 탭에서 열림)
전력단 설계 콘셉트 · 실제 제품 사진이 아닙니다.

GaN HEMT.
3상 모터 인버터.

전원 전압과 모터 특성, 냉각 방식, 제어 요구를 검토해 인버터의 적용 범위와 개발 조건을 정합니다.

전력 소자
GaN HEMT
적용 모터
PMSM / BLDC
적용 검토
Student E-Formula · AGV · Robotics

상세 사양은 아직 공개하지 않았습니다. 표시된 설계 목표는 시험으로 확인된 성능이나 확정 정격을 뜻하지 않습니다.

ENGINEERING THE NEXT DRIVE

구동 요구에 맞춘
인버터 설계.

전원과 모터 특성, 냉각 조건, 제어 요구를 설계 입력으로 삼습니다. 도통·스위칭 손실과 발열, 전류 측정의 제약을 검토해 효율·전력 밀도·제어 성능의 목표를 구체화합니다.

GaN 인버터 네 대와 무선 VCU, GPU, 하부 배터리, EV 커넥터, EMI 사전 점검용 스펙트럼 분석기를 배치한 4륜 토크 벡터링 개발 구상엔지니어링 콘셉트 이미지
WIRELESS TORQUE VECTORING무선 VCU와 4륜 독립 구동의 개발 구상.
PowerCraft 배터리팩, 켜진 계측 화면, 전류 프로브와 ChatGPT 노트북을 배치한 인버터·모터 시험대 콘셉트엔지니어링 콘셉트 이미지
ENGINEER THE DETAILS전력단과 모터를 함께 검토하는 개발 환경.
01POWER CONVERSION손실을 줄이는 전력단 설계
동작 전류와 스위칭 조건을 기준으로 도통·스위칭 손실을 검토합니다. 게이트 구동과 전력 루프의 기생 성분을 함께 살펴 손실과 전압 오버슈트의 절충점을 찾습니다.
02POWER DENSITY연속 운전을 고려한 열 설계
소자·PCB·방열 구조의 열 경로를 검토합니다. 전력단을 소형화할 때도 연속 부하에서의 접합온도와 냉각 조건을 설계 기준으로 둡니다.
03CURRENT CONTROL전류 측정과 제어 응답
센서 위치, PWM 타이밍, 신호 안정화과 측정 지연을 검토합니다. 전류 정보가 제어 연산과 고장 보호에 적절히 반영되도록 측정·처리 경로를 설계합니다.
04SYSTEM INTEGRATION모터·전원·상위 제어기 연동
모터와 전원, 냉각계, 상위 제어기의 요구를 정리합니다. 각 구성 요소의 제약을 확인하고 인버터의 적용 범위와 공동 개발 항목을 협의합니다.

개발 방향과 설계 검토 항목입니다. 상세 사양·지원 기능·평가 조건은 제품별로 협의하며, 성능은 해당 조건의 시험 결과로 확인해야 합니다.

CO-DEVELOPMENT / FROM IDEA TO DRIVE

요구사항에서 검증 계획까지

  1. 01
    구동 목표 정의

    효율·출력·설치 공간·운전 조건을 정리

  2. 02
    통합 설계 검토

    전력·열·제어 요구를 검토해 개발 범위를 결정

  3. 03
    검증 기준 합의

    평가 조건과 확인할 성능 지표를 함께 정의

프로젝트 적용 논의

FOUR-WHEEL CONTROL / DEVELOPMENT STUDY

종방향 힘과 요 모멘트를 네 바퀴 토크로 배분합니다.

힘과 모멘트 요구를 휠 토크로 나누고, 마찰 제약과 차량의 시간 응답을 차례로 살펴봅니다. 각 단계는 독립적인 입력과 모델 조건을 사용합니다.

01 / BASIC ALLOCATION

기본 토크 배분

네 바퀴의 종방향 힘을 합하면 총 힘이 되고, 좌우 힘 차이는 요 모멘트를 만듭니다. 아래 정적 예제는 각 휠의 ±100 N·m 토크 제한으로 두 지령을 동시에 만족하는 배분 영역을 계산합니다.

힘–모멘트 배분 영역

CALCULATED EXAMPLE
요 모멘트 MzN·m
네 바퀴의 토크 제한으로 결정되는 배분 영역가로축 종방향 힘 −1600부터 1600 N, 세로축 요 모멘트 −960부터 960 N미터. 다이아몬드 경계와 내부는 각 휠 토크의 절댓값이 100 N미터 이하인 영역입니다. 선택점 800 N, 240 N미터.-9600960-160001600
종방향 힘 FxN
색 구간: 휠 토크 한계 사용률≤ 25%≤ 50%≤ 75%≤ 100%
계산 도구를 준비하고 있습니다. 준비되면 입력할 수 있습니다.
800 N
240 N·m

각 슬라이더의 끝값은 다른 지령이 0일 때의 단독 최댓값입니다. 두 끝값을 동시에 달성할 수는 없습니다. 배분 가능 여부는 이 예제의 휠 토크 제한만 판단하며 타이어 접지력이나 실제 차량 성능을 보장하지 않습니다.

토크 제한 내 배분 가능최대 휠 한계 사용률 75%
계산된 휠단 토크 지령 N·m
휠 위치요구 토크배분 토크
FL전륜 좌측25.025.0
FR전륜 우측75.075.0
RL후륜 좌측25.025.0
RR후륜 우측75.075.0

합성 결과: Fx = 800 N · Mz = 240 N·m. 최소 휠 토크 여유 25.0 N·m.

배분식·모델 조건·개발 구조 설명

배분 영역을 결정하는 네 가지 조건

유효 휠 반경 r
0.25 m
윤거(좌우 바퀴 간 거리) t
1.20 m
가정한 각 휠 토크 제한
±100 N·m
전·후륜 조향각
0° / 0°

총 힘과 모멘트를 보존하는 배분

앞·뒤 윤거와 휠 반경이 같은 조건에서 좌·우 각각의 토크를 전·후륜에 같은 비율로 나눕니다. 두 지령을 만족하는 배분 중 토크 제곱합을 최소화하는 해이며, 전력 손실 최소화를 의미하지는 않습니다.

x는 전방, y는 좌측, z는 위쪽이며 양의 Mz는 위에서 보아 반시계 방향입니다. 토크는 휠단 기준이고 양의 토크는 전방 힘을 만듭니다. 음의 토크가 제동인지 역방향 구동인지는 휠 회전 방향에 따라 달라집니다. 이 정적 배분 모델은 휠 회전 가속도와 구름 저항을 무시해 Fx,i = Ti/r로 두며, 타이어 마찰·횡력·하중 이동·속도별 모터 및 배터리 제약은 별도 차량 모델에서 다룹니다.

분산 구동을 위한 개발 구조

네 개의 GaN 인버터에 대한 토크 배분은 VCU에서 조정하고, 각 인버터의 전류 루프는 로컬에서 실행하는 구조를 검토합니다. NVIDIA GPU를 차량 모델 계산과 배분 알고리즘 연구에 활용하고, 무선으로 토크 지령과 운전 상태를 교환하는 개발 구상입니다. 토크 명령 전달 주기와 통신 장애 시 동작은 별도 설계 항목입니다.

계산 도구를 준비하고 있습니다. 준비되면 입력할 수 있습니다.
02 / FRICTION CONSTRAINTS마찰 제약과 배분 원리마찰·하중 이동을 포함한 정적 배분과 제어 원리 설명

요 모멘트 요구를 만드는 차량 제어기와, 그 요구를 네 바퀴에 나누는 배분기는 서로 다른 역할을 합니다. 타이어가 이미 횡력을 내고 있다면 구동·제동에 쓸 수 있는 힘은 줄어듭니다.

INTERACTIVE / FRICTION BUDGET

마찰 여유가 배분 영역을 바꿉니다.

a = b인 차량의 전·후륜 하중과 횡력을 대칭으로 둔 정적 힘 배분 모델입니다. 조향각 0°, 휠 관성·구름 저항 생략, 각 휠 횡력 Fy = m ay/4. 지정한 ay에서 준정적 롤 평형의 좌우 하중 이동을 계산하며, 종방향 하중 이동·공력은 생략합니다. 조향각과 ay를 연결한 정상 선회 운동해를 계산하는 예제는 아닙니다.

800 N
-1600 N1600 N
480 N·m
-960 N·m960 N·m
0.60 —
0.2 —1.2 —
4.0 m/s²
-8 m/s²8 m/s²

m = 240 kg · h = 0.25 m
t = 1.20 m · rw = 0.25 m
g = 9.81 m/s² · T0 = 100 N·m

T0는 각 휠에 둔 대칭 토크 상한입니다. 이 도표는 모터 속도·배터리 전력을 변수로 풀지 않습니다.

마찰 제약을 더한 힘–모멘트 영역

요구점과 제약 배분점가로축 힘 N, 세로축 모멘트 N미터. 제약 내 최적 배분 · 잔차 발생. 요구 800 N, 480 N미터.Mz [N·m]-9600960-160001600Fx [N]
토크 상한만마찰 포함요구배분

색 영역은 지정한 횡력을 유지할 수 있는 종방향 배분입니다. 회색 점선은 위 예제의 ±100 N·m 경계입니다.

제약 내 최적 배분 · 잔차 발생잔차 = 배분 − 요구
배분 합성 Fx672.6 N
배분 합성 Mz403.6 N·m
힘 잔차-127.4 N
모멘트 잔차-76.4 N·m
좌우 각 휠의 하중과 토크
항목좌측 FL / RL우측 FR / RR
Fz [N]488.6688.6
Fy [N]240.0240.0
|T|max [N·m]42.184.1
요구 [N·m]0.0100.0
배분 [N·m]0.084.1

토크 상한의 0은 지정한 횡력을 만족하면서 남은 종방향 여유가 없다는 뜻입니다. —는 해당 휠의 접촉 또는 횡력 조건부터 만족하지 못해 토크 상한을 정의할 수 없다는 뜻입니다.

이 예제의 하중·마찰식과 정확한 최적해

s는 L 또는 R, m은 총질량, h는 지면부터 무게중심까지의 높이, t는 전체 윤거, rw는 유효 휠 반경입니다. Fz > 0이고 |Fy| ≤ μFz일 때만 마찰원이 유효합니다. ay > 0은 좌측 횡가속이므로 우측 하중이 증가합니다. 전·후륜이 같은 몫의 하중 이동을 맡으며 네 타이어에 동일하고 일정한 μ를 둡니다.

앞 예제의 역배분식으로 TL*, TR*를 계산합니다. 위 정규화에서 J는 좌우 두 제곱항으로 분리되므로, 각 요구 토크를 독립 구간 [−Ts,max, +Ts,max]으로 제한하는 것이 정확한 최소해입니다. 서로 다른 힘·요 모멘트 가중치나 배터리 결합 제약을 추가하면 이 단순해는 일반적으로 성립하지 않습니다.

현재 최소 J: 0.01268 (무차원)

01차량 동역학과 기준 응답

차체 x는 전방, y는 좌측, z는 위쪽입니다. r = ψ̇는 요 레이트 [rad/s], β ≈ vy/vx는 차체 횡미끄럼각 [rad]입니다. 양의 전륜 조향 δ는 좌회전 방향입니다. 일정한 vx > 0, 작은 각도와 선형 타이어 영역에서:

Cf, Cr [N/rad]는 각각 전·후축 전체의 코너링 강성입니다. a, b [m]는 무게중심부터 각 축까지의 거리, Iz [kg·m²]는 요 관성입니다. Mz [N·m]는 좌우 종방향 힘 차이로 추가하는 모멘트로, aFyF − bFyR와 중복 합산하지 않습니다. 저속 vx → 0이나 타이어 포화에서는 이 선형식을 그대로 사용하지 않습니다.

r0는 Mz = 0인 선형 정상 선회 해이며 Ku의 단위는 s²/m입니다. 분모가 작아지는 과도한 오버스티어 영역을 목표 응답으로 삼지 않습니다. 준정상 ay ≈ vx r 관계의 |rref| ≲ μ̂g/vx는 횡가속 기반 제한일 뿐, 안정성 경계나 종·횡 복합 마찰 조건 전체를 대신하지 않습니다.

기준 생성기, 상태 추정기, 피드백을 분리합니다. β는 IMU·휠 속도·차량 모델 등으로 추정하며, 하나의 추가 Mz로 β와 r의 임의 목표를 동시에 강제할 수는 없습니다. 이득 K는 속도·타이어 조건에 맞춰 설계하고, 배분 잔차를 상위 제어기에 되돌려 포화 시 적분 누적을 제한합니다.

02조향된 휠에서 일반 배분 행렬로

휠 좌표의 힘 (Fxw, Fyw)을 조향각 δi만큼 차체 좌표로 회전합니다. 휠 위치 (xi, yi)는 무게중심 기준입니다.

v = [Fx, Mz]ᵀ에서 B의 첫 행은 1/m, 둘째 행은 무차원입니다. d는 회전된 횡력·외력의 기여입니다. 총 힘·모멘트 목표를 배분하면 u* = v* − d를 사용하고, 추가 종방향 구동력만 목표로 정했다면 그 기여를 다시 빼지 않습니다. 위 대시보드는 δi = 0이고 대칭 횡력의 요 모멘트가 상쇄되는 경우입니다.

B는 휠 회전 가속과 구름 저항을 무시해 Fxw,i ≈ Ti/rw,i로 둔 근사입니다. 휠 슬립 제어에서는 위 회전 방정식과 타이어의 슬립–힘 관계를 함께 사용합니다.

03마찰·모터·배터리의 서로 다른 제한

마찰원은 μ를 상수로 둔 등방성 힘 제약 모델입니다. 실제 종·횡 한계가 다르면 마찰 타원과 타이어 데이터를 사용합니다. 수직 하중, 타이어 온도와 노면 추정의 변화는 허용 영역을 바꿉니다.

모터 전류·전압 한계와 열 제한으로 구동·회생 토크 상한이 속도별로 달라집니다. Tj는 인버터 반도체의 접합온도이며, 위 식은 토크 제한 맵의 대표 의존성을 나타냅니다. 모터 권선·자석 온도 등의 추가 제한도 별도로 반영해야 합니다. 감속기가 있으면 모터 축 토크·속도를 기어비와 효율을 통해 휠 기준으로 변환합니다. P = Tω에서 토크의 부호만으로 회생 여부를 판단하지 않습니다.

T [N·m], ω [rad/s], P [W]입니다. Pbat는 배터리 단자의 순 DC 전력이며, 방전을 양(+), 충전을 음(−)으로 정의합니다. 회생제동 절의 Pdc,inv(인버터에서 DC 링크로 유입이 양)와는 측정 포트와 부호 기준이 다릅니다. Pbat에는 구동계 손실과 보조전력도 반영되므로 기계 출력과 같지 않습니다. 좌우의 Tω가 상쇄되어도 전류와 손실이 0이 되는 것은 아닙니다. 충전 제한·DC 링크 전압·배터리 상태는 모든 휠을 결합하므로 개별 토크 클리핑만으로 만족시킬 수 없습니다.

04정규화된 QP와 잔차의 의미

Dv = diag(F0, M0), DT = diag(T0,i)는 양의 정규화 기준값입니다. N과 N·m의 잔차를 무차원화한 뒤 Wv로 우선순위를 정합니다. WT는 토크 변화 가중치, λ ≥ 0입니다. 가중치 변경은 물리적 제약을 완화하는 것이 아니라 제약 안에서 어떤 오차를 더 줄일지 정하는 일입니다.

고정 운전점의 B와 선형 제약이면 볼록 QP로 풀 수 있습니다. 횡력을 고정하면 마찰원이 위 예제처럼 토크 구간으로 축약됩니다. 종·횡력을 함께 최적화하는 원형 제약은 일반 선형 제약 QP가 아니며, 다각형 근사 또는 원뿔·비선형 최적화가 필요합니다. 비선형 효율 맵도 별도 취급합니다.

작은 목적함수와 요구 실현 가능성은 다릅니다. ealloc = 0이고 모든 제약을 만족할 때만 두 요구를 정확히 달성합니다. 고장으로 한 바퀴의 구동을 사용할 수 없으면 그 토크 구간을 제한하고 B의 유효 열·랭크를 다시 확인합니다. Δτ에 대한 목적함수 항는 명령을 매끄럽게 하지만 전력 손실 최소화를 뜻하지 않습니다.

05무선 상위 지령과 로컬 전류 루프
VCU상태 추정 · 기준 · 토크 배분
지령 수신·검사순서 · 유효 시각 · 범위 · 변화율
로컬 인버터토크→전류 · 전류 루프 · PWM·보호

무선 패킷은 상위 토크 지령과 상태를 전달하고, ADC–전류 제어–PWM 갱신은 각 인버터의 자체 시간 기준으로 폐루프 제어합니다. 통신 주기와 전류 루프 주파수는 같은 값이 아닙니다. 지령 시각을 비교하려면 시계 동기 오차도 허용 지연 시간을 산정할 때 포함합니다.

위상 관계식은 일정한 순수 지연 td [s]의 주파수 응답입니다. ωc [rad/s]는 평가하는 상위 제어 루프의 각주파수이며 모터의 전기 각속도나 무선 패킷 전송률이 아닙니다. 이 식 하나로 가변 지연·패킷 손실을 갖는 무선 폐루프의 안정성을 판단할 수는 없습니다.

평균 지연뿐 아니라 지터, 최장 연속 패킷 손실과 수신 후 적용 지연을 평가합니다. 오래되거나 순서가 역전된 지령은 갱신에 쓰지 않고, 타임아웃 시 동작과 토크 변화율을 차량 상태에 맞춰 정의합니다. 모든 고장에 즉시 0 토크가 최선이라고 가정하지 않습니다. 과전류 등 로컬 전기적 보호는 무선 응답을 기다리지 않는 별도 경로로 둡니다.

아래 TI 자료는 유선 분산 제어의 로컬 전류 루프 구조를 설명합니다. 무선 지연·고장 정책의 수치를 제공하는 자료는 아닙니다.

03 / VEHICLE RESPONSE

차량 요 응답

같은 조향 입력에서 목표와 실제 요 레이트, 차체 궤적을 비교합니다. 속도·조향각·요구 구동력을 바꾸고, 휠별 마찰·토크 제한·구동 고장이 시간 응답에 미치는 영향을 살펴봅니다.

차량 요 응답을 준비합니다.

03 / BEYOND THE TRACKAPPLICATION-DRIVEN ENGINEERING.

ENGINEERED
FOR MOTION.

전기 포뮬러·물류 자동화·로봇 분야의
모터 특성과 운전 조건에 맞춰 인버터 요구를 검토합니다.

Student E-Formula 적용 분야 콘셉트01E-MOTORSPORT

Student E-Formula

전기 포뮬러 구동 시스템.

학생 전기 포뮬러 프로젝트의 전원·모터·운전 조건을 확인하고, 인버터 적용과 기술 협력 범위를 협의합니다.

적용 검토 문의
AGV 적용 분야 콘셉트02AUTONOMOUS MOBILITY

AGV

물류 자동화를 위한 주행 구동.

무인 운반차의 주행 부하와 운전 조건을 바탕으로 인버터의 전력·제어 요구를 검토합니다.

적용 검토 문의
Robotics 적용 분야 콘셉트03ROBOTIC MOTION

Robotics

로봇 시스템의 모터 구동.

로봇의 모터 특성과 제어 요구에 맞춰 인버터 적용 범위와 공동 개발 항목을 검토합니다.

적용 검토 문의
04 / BUILT WITH FOCUSA POWERCRAFT PROJECT

POWERCRAFT.
IN MOTION.

PowerCraft의
GaN 인버터 개발 프로젝트.

PowerCraftMotion은 PowerCraft의 GaN HEMT 인버터 개발 프로젝트입니다. 적용 분야의 전원·모터·운전 요구를 정리하고, 필요한 기술 협력과 공동 개발을 추진합니다.

프로젝트 기반
PowerCraft의 GaN 인버터 개발 프로젝트
개발 방향
모터 구동용 GaN 전력 변환·제어
ENGINEERING COLLABORATIONFROM REQUIREMENTS TO DESIGN.

구동 기술,
함께 설계합니다.

01제품 · 기술 문의

모터와 전원 정보, 운전 조건을 보내 주시면 적용 범위를 검토합니다.

02파트너십

공동 개발 목표와 기술 범위, 역할 분담을 협의합니다.

03투자 문의

기술 개발 계획과 사업화 방향에 관한 문의를 받습니다.

제품 적용 상담 · 공동 개발 · 투자 협력

DEVELOPMENT OVERVIEW
개발 중

GaN HEMT
모터 인버터

모터와 운전 조건을 바탕으로 다음 세 가지를 함께 검토해 개발 범위를 정합니다.

전원·전류
DC 전압 범위, 상전류와 연속·단시간 부하
냉각·설치
냉각 방식, 설치 공간과 운전 환경
제어·피드백
상위 제어 지령, 통신과 모터 센서 요구

상세 사양은 아직 공개하지 않았습니다. 표시된 설계 목표는 시험으로 확인된 성능이나 확정 정격을 뜻하지 않습니다.

THREE-PHASE / ENGINEERING NOTES

3상 인버터 동작 원리

이론과 실시간 도표를 불러오고 있습니다.