MATLAB 및 Simscape Electrical을 활용한 전력 컨버터 회로 설계

개요: 초기 단계 시뮬레이션의 중요성

전력 컨버터 및 모터 드라이브 설계에서는 초기 단계의 의사결정이 설계 요구사항을 충족하는 데 필요한 시간과 비용에 결정적인 영향을 미칩니다. 하드웨어를 제작하기 전에 이루어지는 회로 토폴로지, 부품 선정, 제어 전략, 고장 동작에 관한 선택은 프로젝트 전반의 비용, 성능, 그리고 재설계 위험을 좌우합니다.

디지털 시뮬레이션은 엔지니어가 이러한 의사결정을 내릴 수 있도록 지원하는 동시에, 효과적인 초기 단계 전력 컨버터 및 모터 드라이브 설계를 위한 기초를 마련해 줍니다.

이 백서에서는 MATLAB^®, Simulink^® 및 Simscape Electrical™가 초기 단계 의사결정에 필요한 설계 환경을 어떻게 제공하는지 살펴볼 것입니다. 각 섹션에서는 초기 하드웨어 설계 과정에서 직면하는 특정 과제를 다루고, 시뮬레이션 기반 분석이 첫 번째 프로토타입을 제작하기 전에 어떻게 위험을 줄일 수 있는지 설명합니다.

전력 컨버터 및 모터 드라이브의 초기 설계 위험 최소화

전력 컨버터 및 모터 드라이브와 같은 전력전자 기반 소자의 회로 설계 초기 단계에서, 엔지니어링 팀은 설계 공간을 폭넓게 탐색할 수 있는 다양한 기능을 제공하는 소프트웨어를 활용해야 합니다. 초기 설계 개념을 손쉽게 수정하며 반복 검토하고, 하드웨어 테스트 전에 오류를 발견하며, 비용과 성능 간의 균형을 검토하고, 회로를 실제 시스템의 일부로 고려하여 분석할 수 있어야 합니다. 이러한 기능을 갖춘 소프트웨어를 사용한 초기 단계 설계를 통해 프로젝트의 하드웨어 구현 단계로 진입할 때 설계 반복 횟수를 줄이고 비용이 많이 드는 지연을 방지할 수 있습니다.

모델 기반 멀티도메인 시뮬레이션 설계를 통해 엔지니어는 전력 컨버터 및 모터 드라이브 설계 초기 단계에서 최적화되고 정보에 입각한 의사결정을 내릴 수 있습니다. 시뮬레이션, 분석 및 설계 기능을 하나의 환경에 통합함으로써 엔지니어들이 설계 공간 전체를 체계적으로 탐색할 수 있게 해줍니다. 또한 제어 루프 설계, 동특성 응답, 열 영향, 전력 품질, 부품 선정, 고장 분석과 같이 서로 상충할 수 있는 다양한 요구사항을 하나의 플랫폼에서 종합적으로 검토하는 트레이드오프 분석을 수행할 수 있습니다.

Simscape Electrical은 여러 수준의 모델 충실도와 연동 시뮬레이션 기능을 지원하여 기존 워크플로에 자연스럽게 통합되며, 기존 EDA 툴이나 회로 시뮬레이터만으로는 제공하기 어려운 보다 포괄적인 접근 방식을 제공합니다. 엔지니어는 시스템 토폴로지와 아키텍처를 검토하고, 컴포넌트 크기를 조정하며, 초기 단계에서 핵심 설계 의사결정을 지원하는 목표에 맞는 트레이드오프 분석을 수행할 수 있습니다. 공급업체 제공 라이브러리, 가져오기 툴, 다양한 회로 소자와 부하, 사전 구축된 컨버터 및 제어 템플릿을 활용해 초기 설계 탐색을 빠르고 유연하게 진행할 수 있습니다. MATLAB과의 직접적인 통합을 통해 다양한 변수와 제약 조건을 고려하면서 설계 공간을 신속하게 탐색하고 효과적으로 좁혀 나갈 수 있습니다.

전력 품질, 열 방출, 시스템 효율성 및 기계적 성능(모터 동특성 포함)과 같은 주요 성능 지표들을 요구사항 추적 및 결함 주입 등을 통해 하나의 통합된 환경에서 분석할 수 있습니다. 이러한 통합 접근 방식은 상세 설계로 넘어가기 전에 설계에 대한 높은 신뢰도를 확보할 수 있게 해줍니다.

Simscape Electrical을 통한 설계 프로세스 개선

Simscape Electrical은 다음과 같은 통합 기능을 통해 초기 설계 단계에서 발생하는 다양한 문제를 해결할 수 있습니다.

• 트레이드오프 분석, 예비 분석 및 최적화
• 다양한 수준의 충실도
• 열 및 기계적 해석
• 결함 주입
• 주파수 기반 해석
• 공급업체 부품 라이브러리
• 제어 루프 설계
• 요구사항 추적성
• 연동 시뮬레이션 및 모델 내보내기

트레이드오프 분석, 예비 분석 및 최적화

Simscape Electrical은 체계적인 컨버터 설계와 초기 단계의 트레이드오프 분석을 수행할 때 두 가지 주요 이점을 제공합니다. 첫째, MATLAB과의 직접적인 통합을 통해 자동화된 설계 공간 탐색을 위한 스크립팅, 설계 및 최적화 툴을 활용할 수 있습니다. 둘째, 열 특성을 반영한 트랜지스터를 사용하는 것부터 고수준 거동 모델로 컨버터를 추상화하는 것에 이르기까지 시뮬레이션 상세 수준을 엔지니어들이 유연하게 제어할 수 있습니다. 이러한 기능들이 결합되어 자동화 수준과 모델 충실도를 각 프로젝트의 구체적인 요구사항에 맞게 조정할 수 있는 통합 환경을 제공합니다. 

MATLAB 기반 최적화 및 트레이드오프 분석은 Simscape Electrical 모델을 활용하여 여러 목표와 요구사항을 동시에 해결합니다. 비용, 전력 품질 또는 대역폭과 같은 목표는 우선순위와 가중치를 부여할 수 있으며, 최소 효율 또는 요구되는 이득 및 위상 여유와 같은 필수 제약 조건은 자동으로 적용됩니다. 이러한 제약 조건은 사용자 지정이 가능하며, 컨버터 설계에 미치는 영향을 이해하기 위해 개별적으로 또는 집합적으로 탐색할 수 있습니다.

이러한 유형의 분석에 대한 주요 기술적 이점은 이산 및 정수 기반 최적화뿐만 아니라 머신러닝 기법에 대한 지원입니다. 이를 통해 실제로 구입 가능한 부품을 선택할 수 있습니다. 예를 들어, 현실적으로 사용하기 어려운 1004.2옴 저항기 대신 표준 1000옴 저항기를 선택할 수 있으므로, 최종 설계가 최적화되고 실제 제조도 가능하도록 보장할 수 있습니다. 또한 연속형 변수와 이산형 변수를 포함한 제약 조건과 최적화 목표를 활용해 아키텍처, 컴포넌트 값, 제어 방식 등 다양한 설계 요소의 탐색을 자동화할 수 있습니다. MATLAB은 국소, 전역 및 AI 기반 최적화를 지원하며, 설계 공간을 체계적으로 탐색하기 위한 실험계획법 생성 툴을 제공합니다.

풍부한 거동 모델, 예제 프로젝트 및 제어 템플릿은 불필요한 세부 사항을 추상화하여 초기 설계 단계에서 의미 있는 분석과 비교를 용이하게 함으로써 탐색적 모델 구축을 가속화할 수 있습니다. 이러한 접근 방식은 시스템 요구사항 전체를 고려한 고품질의 의사결정을 가능하게 하여 설계 성공 가능성을 높여 줍니다. 또한 이러한 동일한 방법은 설계가 상당히 발전한 이후에도 성능 미세 조정과 추가 최적화를 위해 계속 활용할 수 있습니다.

참고 자료

다양한 수준의 충실도: 모델 생성 및 유지관리 간소화

Simscape Electrical의 유연한 모델링 기능을 사용하면 엔지니어는 불필요한 세부 사항을 추상화하면서 특정 설계 기준을 충족할 수 있습니다. 이러한 사용자 맞춤형 유연성은 시스템 수준 및 상세 설계 의사결정을 동일한 워크플로 내에서 모두 수행할 수 있음을 의미합니다. 예를 들어, 저수준 제어 루프를 모델링하지 않고, 전력 분배 시스템의 비용과 효율성을 분석할 수 있으며, 게이트 드라이브 저항을 평가해 효율성과 EMI 간의 트레이드오프를 검토할 수 있습니다. Simscape Electrical 라이브러리에는 다양한 정밀도 수준의 사전 구축된 모델과 다수의 예제 및 템플릿을 제공하므로, 작업 목적에 맞는 시뮬레이션을 신속하게 구성할 수 있습니다.

Simscape Electrical은 기본적으로 열 의존 파라미터와 복잡한 비선형성을 가진 상세 트랜지스터 모델에서부터 컨버터의 제어 루프까지 추상화할 수 있는 고수준 거동 모델에 이르기까지 폭넓은 모델링 수준을 지원합니다. 일반적으로 다음과 같은 모델 충실도 수준을 사용할 수 있습니다.

• 상세 비선형 스위치 모델 (SPICE 유사 모델)
• 스위치 선형 소자 모델 (스위칭 효과와 손실을 보존하되, 턴온 동특성은 무시)
• 평균 모델 (불연속 모드를 포함한 고차 시스템 동특성에 집중)

이러한 접근 방식은 트랜지스터뿐만 아니라 배터리, 모터, IC 등에도 적용됩니다. 사용 가능한 데이터에 맞춰 적절한 충실도를 선택하는 능력은 유용한 모델을 구축하는 데 매우 중요하며, 일부 세부 정보가 아직 정해지지 않은 상황에서도 반복적인 설계 작업을 가능하게 합니다. 또한 불필요한 복잡성을 추상화함으로써 모델 생성, 유지관리 및 시뮬레이션을 더욱 효율적으로 수행할 수 있습니다.

참고 자료

열 및 기계적 해석: 손실 및 냉각 전략 평가

패키징과 레이아웃은 컨버터 설계에서 매우 중요한 고려 사항입니다. Simscape Electrical은 모든 충실도 수준에서 상세한 손실 계산을 제공합니다. 전통적인 트랜지스터 모델의 경우, 스위칭 손실과 도통 손실이 항상 계산됩니다. 더 빠른 시뮬레이션을 위해 구간별 선형 모델을 사용하는 경우에는 공급업체가 제공하는 데이터 테이블의 손실 데이터를 사용하거나, 소프트 스위칭 시나리오를 포함한 상세 스위치 모델로부터 Simscape가 자동 생성한 손실 데이터를 사용할 수 있습니다. 평균값 및 거동 모델은 효율 맵을 통합하여 정확한 열 거동과 회로 효율을 보장할 수 있습니다.

열 손실과 효율을 이해하는 것이 중요하지만, 효과적인 방열을 위해서는 시스템 전체 관점의 분석이 필요한 경우가 많습니다. Simscape Electrical은 Cauer 및 Foster 네트워크와 같은 전통적인 열 모델링 방식을 지원하여 열 영역 내에서 전도, 대류 및 복사 열전달을 시뮬레이션할 수 있습니다. 이러한 모델에는 액체 냉각 및 2상 냉각 및 열교환기와 같은 고급 세부 사항을 포함할 수 있어, 설계자가 능동 냉각 시스템의 추가 전력 소모를 고려하면서 열 제거 전략을 평가할 수 있습니다.

모터 및 솔레노이드와 같은 기계 컴포넌트도 여러 정밀도 수준에서 모델링할 수 있습니다. 단순한 집중 파라미터 모델부터 FEA 툴에서 가져온 상세 비선형 모델까지 사용할 수 있으며, 공간 고조파나 자기 포화와 같은 현상도 반영할 수 있습니다. 필요에 따라 열 거동을 모델에 포함할 수 있으므로, 전기적 측면과 기계적 측면을 모두 고려한 종합적인 분석을 수행할 수 있습니다.

내장형 선제적 결함 주입

Simscape Electrical은 결함 모델링, 주입 및 분석을 위한 내장 툴을 제공합니다. 개별 컴포넌트에는 사전 정의된 결함이 포함되어 있으며, 전용 결함 블록을 통해 사용자는 시스템의 어느 지점에서든 개방 회로 또는 단락 결함을 주입할 수 있습니다. 결함은 시뮬레이션 기준, 사용자 입력 또는 특정 시뮬레이션 시간에 의해 트리거될 수 있습니다. 시뮬레이션 환경은 이러한 거동을 결함으로 인식하기 때문에, 모든 결함 시나리오는 전용 결함 창을 통해 관리되어 체계적이고 철저한 가상 결함 평가가 가능합니다. 이 기능은 필요 시 가상 FMEA(고장 모드 및 영향 분석)를 지원할 수 있도록 확장 가능합니다.

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주파수 기반 분석을 활용한 전기적 성능 및 제어 특성 분석

Simscape Electrical은 전력 품질, 입력 임피던스, 잡음 제거 및 제어 루프 설계를 분석하는 데 필수적인 시간 영역 시뮬레이션과 함께 주파수 기반 분석을 지원합니다. Simscape Electrical 라이브러리의 사전 구축된 컨버터 블록을 사용하는 경우, 평균값 모델이 도출되어 모델 내에 통합되므로 해석적 주파수 응답과 전달 함수를 즉시 사용할 수 있습니다. 또한 이러한 기능은 모델 충실도 수준과 관계없이 사용자가 직접 모델링한 모든 토폴로지에도 적용되며, 내장된 주파수 응답 분석 툴을 통해 지원됩니다. 이를 통해 소신호 해석이나 평균 모델 유도 과정을 수작업으로 수행할 필요가 없습니다.

주파수 응답 데이터는 제어 및 최적화 알고리즘과 통합하여 사용할 수 있으며, 시스템 식별 도구와 함께 활용하여 저차수 시간 영역 모델을 생성하는 데에도 사용할 수 있습니다. 이러한 모든 작업은 수학적 모델을 직접 유도하지 않고 수행할 수 있습니다.

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공급업체 부품: Hitachi, Infineon, Wolfspeed 및 기타 공급업체의 모델 통합

Simscape Electrical은 여러 통합 방법을 통해 공급업체 정의 컴포넌트 모델링을 지원합니다.

• 데이터시트 기반 모델링: 공급업체가 시뮬레이션 모델을 제공하지 않지만 데이터시트 정보만으로 시스템 수준 분석이 가능한 경우, 데이터시트의 파라미터를 사용하여 미리 정의된 컴포넌트 블록을 구성할 수 있습니다.
• 시뮬레이션으로부터의 파라미터 추출: 공급업체의 SPICE 모델을 시뮬레이션하여 스위칭 손실, 커패시턴스 프로파일, 열 특성 등의 주요 파라미터를 추출할 수 있습니다. 추출된 파라미터는 거동 모델의 룩업 테이블을 채우는 데 사용됩니다.
• SPICE 넷리스트 가져오기: Simscape Electrical은 비선형성과 기생 성분을 포함하는 SPICE 넷리스트를 사용하여 상세한 공급업체의 소자 모델을 가져올 수 있습니다.

Simscape Electrical은 Hitachi, Infineon, Wolfspeed와 같은 제조업체의 소자 데이터를 포함하고 있으며, 적절한 공급업체 데이터를 제공받으면 어떤 이산 소자에 대해서도 대표적인 모델을 구축할 수 있는 툴을 제공합니다. 이를 통해 전기, 열, 제어 영역 전반에 걸쳐 일관되고 검증된 모델링을 수행할 수 있습니다.

참고 자료

제어 루프 설계: 초기부터 제어 대역폭 최적화

Simulink는 모델 예측 제어 및 머신러닝을 포함한 전통적 제어 기법과 고급 제어 기법을 모두 지원합니다. 또한 제어기 설계와 최적화를 동시에 수행할 수 있으므로, 엔지니어는 서로 상충하는 요구사항을 고려하면서 고도로 최적화된 성능을 달성할 수 있습니다.

Simulink는 S 영역 및 Z 영역 모두에서 루프 설계를 지원하며, 보드, 나이퀴스트, 계단 응답 플롯과 같은 표준 시각화 기능과 극점-영점 분석 및 배치를 위한 툴을 제공합니다. 전통적인 제어 기준은 추가적인 정량적 성능 측도와 결합할 수 있으므로, 예를 들어 제어기의 안정성과 대역폭을 확보하면서도 시스템 기동 시 전류 오버슈트를 제한하도록 제어기를 조정할 수 있습니다.

Simulink은 또한 강인 제어기 및 퍼지 논리 제어기부터 고급 모터 드라이브 기법(예: 위상 고정 루프, Clarke 및 Park 변환, 자속기준제어, 직접 토크 제어, BLDC 정류)에 이르기까지 다양한 제어 전략을 제공합니다. 유틸리티 및 계통 연계 시스템의 경우, Simulink는 최대 전력점 추적, 인버터 자원 관리, 어드미턴스 기반 안정성 분석, 계통 형성 등 다양한 툴을 제공합니다.

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요구사항 추적성: ISO 26262 및 IEC 61508 규정 준수

요구사항 추적성은 구조화된 하드웨어 설계 워크플로에서 필수적인 요소이며, 특히 요구사항부터 구현까지의 추적을 의무화하는 ISO 26262 및 IEC 61508과 같은 표준을 준수해야 하는 경우 더욱 중요합니다. 초기 단계에서 요구사항 하나라도 누락되면 개발 후반부에 많은 비용이 드는 재작업으로 이어질 수 있습니다.

Simscape Electrical은 Simulink 제품군과 통합되어 포괄적인 요구사항 관리 및 검증을 지원합니다. 엔지니어는 회로 모델을 텍스트 요구사항에 직접 연결하고 정형 요구사항 기반 테스트를 수행하여 정의된 사양에 대한 준수 및 검증을 지원할 수 있습니다.

이 통합 환경은 모델링, 시뮬레이션 및 테스트 전반에 걸친 추적성을 제공하며, 요구사항을 설계 아티팩트, 시뮬레이션 결과 및 테스트 커버리지와 연결합니다. 이러한 접근 방식은 설계 검토, 인증 절차 및 변경 영향 분석을 지원하여, 개념 설계 단계부터 구현 단계에 이르기까지 규격을 준수하는 견고한 설계를 가능하게 합니다.

참고 자료

HIL 테스트를 위한 연동 시뮬레이션 및 모델 내보내기

Simscape Electrical은 최종 설계 파일 생성을 위한 EDA 툴 및 레이아웃 툴을 사용하는 기존 하드웨어 설계 워크플로에 자연스럽게 통합될 수 있습니다. 이 통합을 지원하기 위해 MathWorks는 연동 시뮬레이션 및 모델 내보내기 기능을 제공해 다양한 설계 환경에서의 활용을 가능하게 합니다.

Simscape Electrical은 PSpice^® 및 SIMetrix와 같은 회로 시뮬레이션 툴과의 연동 시뮬레이션을 지원하므로, 엔지니어는 서로 다른 플랫폼의 강점을 동시에 활용할 수 있습니다. 이 기능은 필요에 따라 FEA 분석과 같은 고충실도 모델링을 위해 다중물리 엔진 및 EDA 툴과의 통합으로 확장될 수 있습니다.

모델 내보내기 측면에서, 플랜트 모델은 전력 시스템 및 컨버터의 Hardware-in-the-Loop(HIL) 테스트를 위해 C 및 HDL/Verilog 코드로 내보낼 수 있습니다. 이 모델들은 또한 EDA 툴에서 사용할 수 있도록 내보낼 수 있으며, SystemVerilog와 통합하여 Simscape Electrical에서 생성된 모델을 EDA 환경 내에서 실행할 수 있습니다.

참고 자료

결론

전력 컨버터 및 모터 드라이브의 초기 설계 단계에서 위험을 줄이려면 설계 결정이 비용 증가, 되돌리기 어려운 변경, 또는 안전 문제로 이어지기 전에 그 영향을 미리 파악할 수 있어야 합니다. 즉, 설계 결과에 대한 충분한 가시성을 확보하는 것이 중요합니다. 이 백서에서 소개한 워크플로는 모델 기반의 멀티도메인 시뮬레이션 환경을 통해 엔지니어들이 더 다양한 아이디어를 검토하고, 설계 가정을 조기에 검증하며, 더 높은 확신을 바탕으로 견고한 설계안에 도달할 수 있는 방법을 보여줍니다. MATLAB, Simulink 및 Simscape Electrical을 사용하면 공급업체 데이터에 기반한 정확한 부품 모델을 활용하여 트레이드오프 분석, 열, 결함 및 기계적 해석, 주파수 기반 평가 및 제어 루프 개발을 수행할 수 있습니다.