벅컨버터 사용 및 그라운드 분리
안녕하세요, 제어쟁이입니다.먼저 강의 수강해주셔서 정말 감사합니다. ㅎㅎ1번 답변강의자료를 바탕으로 설명드리면, 이번 교육용 인버터 키트에서 절연형 DC/DC 컨버터가 아니라 Buck 컨버터를 사용한 가장 큰 이유는 교육용 키트라는 목적, 전압대, 원가, 회로 복잡도를 함께 고려했기 때문입니다. 현재 키트는 24V / 36V 정도의 비교적 저전압 배터리 시스템을 대상으로 하고 있어서, 산업용 고전압 인버터처럼 반드시 절연 전원을 써야 하는 구조는 아닙니다.물론 절연형 DC/DC를 사용하면 고전압 영역과 저전압 제어 영역을 전기적으로 분리할 수 있어서 안전성이나 공통모드 노이즈 측면에서 유리한 점이 있습니다. 그래서 실제 산업 현장에서도 전압이 높아지거나 안전 규격 요구가 큰 경우에는 절연형을 많이 사용합니다. 다만 절연형을 제대로 적용하려면 전원만 절연한다고 끝나는 것이 아니라 PWM 신호, 전류센싱, Fault 신호, 통신 신호까지 전체 시스템 절연 구조를 함께 잡아야 해서 회로가 훨씬 복잡해지고 비용도 올라갑니다. 그리고 한 가지 중요한 점은 절연형을 쓴다고 해서 노이즈가 자동으로 완벽하게 해결되는 것은 아니라는 것입니다. 실제 노이즈 성능은 PCB 레이아웃, 리턴패스, 디커플링, 접지 구조, 게이트 저항, 스너버 같은 요소의 영향도 매우 큽니다. 그래서 이번 키트는 학습 목적에 맞게 비절연 구조로 설계했고, 대신 PGND와 GND를 분리해서 고전류 스위칭 리턴 전류가 MCU나 ADC 쪽으로 최대한 영향을 주지 않도록 설계한 것입니다. 즉 “절연을 안 해서 대충 만든 것”이 아니라, 현재 전압대와 교육 목적에 맞는 현실적인 선택이라고 이해하시면 좋겠습니다. 실제 산업에서는 고전압인 경우에는 게이트드라이버나 컨버터는 거의 필수적으로 절연형을 사용하고 있습니다.2번 답변이 부분은 처음 공부하실 때 많이 헷갈릴 수 있는데,결론은 스위칭 주파수와 모터 회전 속도는 같은 개념이 아니다라고 보시면 됩니다. 강의자료 기준으로 현재 3상 PWM은 TIM1 하나로 생성하고 있기 때문에 U상, V상, W상의 기본 PWM 캐리어 주파수는 동일합니다. 예를 들어 20kHz로 설정하면 세 상 모두 20kHz 기준으로 PWM이 만들어집니다. 다만 BLDC 6step 제어에서는 홀센서 위치에 따라 항상 세 상이 동시에 같은 방식으로 동작하는 것이 아니라, 두 상은 통전하고 한 상은 off(floating) 되는 형태로 구동됩니다. 그리고 RPM은 PWM 주파수로 직접 결정되는 것이 아니라, 모터에 인가되는 평균 전압과 전류, 부하 상태, 전기적 주파수에 의해 결정됩니다. 쉽게 말하면 PWM 주파수는 MOSFET을 얼마나 빠르게 켰다 껐다 할지를 정하는 값이고, 속도는 쓰로틀에 따라 duty를 조절하면서 평균 전압이 바뀌고, 그 결과 모터 토크와 속도가 변하는 구조입니다. 그래서 duty를 올리면 평균 전압이 증가하고, 그에 따라 모터가 더 가속되어 RPM이 올라갑니다. 반대로 스위칭 주파수는 너무 낮으면 전류 리플, 소음, 토크 리플이 커질 수 있고, 너무 높이면 MOSFET 스위칭 손실과 발열이 증가합니다. 즉PWM 주파수는 효율, 발열, 소음, EMI를 보고 정하는 값이고, RPM은 평균적으로 모터에 얼마만큼의 전압/전류를 넣어주느냐에 더 직접적으로 관련된 값이라고 이해하시면 가장 정확합니다.3번 답변이 질문도 실무에서 정말 많이 고민하는 부분입니다. 결론부터 말씀드리면,PGND와 GND를 연결할 때 0Ω 저항 대신 Ferrite Bead를 쓰는 것이 무조건 더 좋다고 보기는 어렵습니다. 0Ω 저항은 사실상 short처럼 동작하면서도, 설계자 입장에서는 “이 지점에서 ground를 한 번 묶는다”는 의미를 명확하게 줄 수 있고, 나중에 부품을 바꿔가며 튜닝하기도 좋습니다.반면 Ferrite Bead는 DC에서는 거의 연결처럼 보이지만, 고주파에서는 임피던스가 커져서 특정 주파수 대역의 노이즈를 줄이는 데 도움을 줄 수 있습니다. 그래서 겉으로 보면 bead가 더 좋아 보일 수 있습니다. 하지만 인버터처럼 스위칭 전류가 크고 di/dt, dv/dt가 큰 회로에서는 bead 양단에 전위차가 생기면서 오히려 그라운드 기준점이 흔들리는 문제가 발생할 수 있습니다. 그러면 ADC 측정값이 흔들리거나 MCU 기준 전위가 불안정해지고, 심하면 통신 오류나 오동작으로 이어질 수도 있습니다. 그래서 실제로 중요한 것은 0Ω이냐 bead냐 자체보다, 고전류 리턴패스와 민감한 신호 리턴패스를 최대한 분리하고, 루프 면적을 줄이고, ground를 어디서 어떻게 만나게 할 것인지를 잘 잡는 것입니다. 실무에서도 처음부터 무조건 bead가 정답이라고 결정하기보다는, 0Ω 자리를 넣어두고 시제품에서 오실로스코프 측정, EMI, 실제 부하 테스트를 하면서 bead로 바꿔보거나 다른 방식으로 튜닝하는 경우가 많습니다. 즉 이 부분은 이론만으로 100% 정답이 정해지는 영역이라기보다는, 초기 설계를 잘 하고 실제 측정 결과를 바탕으로 최적점을 찾는 과정이라고 보시면 됩니다.
