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Nikkei X-TECH_2021.9.24

도시바, 자동차의 전동 부품 설계 검증 시간 1/10로 감축
기계와 전자의 결합을 통해 고안

도시바 디바이스&스토리지는 전동 파워 스티어링 등 차량용 메카트로닉스(Mechatronics) 기기의 동작 검증을 위한 신기술 ‘Accu-ROM: Accurate-Reduced Order Modeling’을 개발했다. 이 기술을 통해 기존 기술과 같은 수준의 검증을 10분의 1로 감축된 시간에 실행할 수 있다는 것을 확인했다. 차량용 메카트로닉스 기기 개발의 초기 단계에서 이번 기술을 사용해 검증하면, 기기의 시작(試作) 회수를 줄일 수 있어 개발 코스트 절감으로 이어질 수 있을 것으로 기대되고 있다.

메카트로닉스 기기의 설계 검증에는 기계 부품(주로 모터)과 전자 부품(주로 파워 MOSFET) 모델을 조합하는 이른바 기계-전자 협조/연성 시뮬레이션을 실행한다. 이때 문제가 되는 것이 기계(Mechanics)계와 전자(Electronics)계의 분석 정밀도의 차이이다. 예를 들어, 시간축에서는 기계계의 응답시간은 ms오더. 반면, 전자계의 스위칭 동작은 ns오더로, 6자리나 다르다. 이 때문에 전자계 정밀도의 분석이 필요할 경우, 기계계도 같은 시간의 오더로 시뮬레이션 하지 않으면 안되기 때문에 검증 시간이 길어지는 문제가 발생된다.

검증 시간이 길어지는 데에는 또 다른 요인이 있다. 파워 MOSFET 같은 아날로그 소자 검증에서는 ‘SPICE: Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis’라고 불리는 회로 시뮬레이터를 사용하는 것이 일반적이다. SPICE는 만능이라고 말할 수 있는 시뮬레이터로 다양한 특성을 분석할 수 있지만, 그만큼 처리 시간이 길다. 도시바 디바이스&스토리지에 따르면, 메카트로닉스 기기의 설계 검증에는 수 십 초에서 수 분의 움직임을 보는 것이 요구되지만, 기존의 기계-전자 협조/연성 시뮬레이션에서는 수 일 정도의 실행 시간 소요된다고 한다.

-- 열과 노이즈를 고정밀·단시간에 분석 --
기계-전자 협조/연성 시뮬레이션의 분석 정밀도 확보와 처리 시간 단축을 목표로 도시바 디바이스&스토리지가 개발한 기술이 앞에서 소개한 Accu-ROM이다. Accu-ROM은 한마디로 모델의 간략화(축퇴) 기술로, 분석에 불필요한 정보를 없애고 필요한 정밀도를 유지하면서 처리 시간 단축을 도모하는 기술이다. 이번에 Accu-ROM을 사용해 메카트로닉스 기기의 기능(전체 동작)뿐만 아니라 파워 MOSFET의 온도와 모터 구동 회로의 전도 노이즈 분석을 위한 모델을 개발해 그 효과를 확인했다.

Accu-ROM은 다음과 같은 3단계로 처리가 진행된다. 1단계는 기계 모델(Mechanical plant model)의 축퇴이다. 여기에서는 파워 MOSFET를 상세한 모델(SPICE 모델)에서 간이적인 스위치 모델로 치환해 긴 시간 간격(이번 예에서는 15μs)으로 시뮬레이션을 실행, 모터 구동 회로의 움직임을 보는데 적합한 축퇴 기계 모델을 작성한다.

2단계는 MOSFET 모델의 축퇴이다. 여기에서는 파워 MOSFET의 간이 모델을 SPICE 모델로 되돌리고 부하 토크값을 모터의 사양 범위 내에서 변화시켜, 부하 토크와 스위칭 손실의 관계 및 부하 토크와 전도 노이즈 양의 관계를 구한다. 그리고 이 관계를 VHDL-AMS (Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language-Analog Mixed Signal) 형식의 모델에 포함시킨다.

3단계는 제1단계와 제2단계에서 작성된 축퇴 모델로 치환해 전자계 분석(파워 MOSFET의 온도와 모터 구동 회로의 전도 노이즈 분석)에 필요한 미세한 시간 간격(이번 예에서는 100ns)으로 시뮬레이션을 실행한다.

기존의 모델을 사용한 전동 파워 스티어링 시스템(실제 작동 시간 6초 간)의 시뮬레이션에는 32시간 51분 걸렸지만, 기계와 전자 모두 축퇴 모델을 사용한 결과, 3시간 27분으로 약 10분의 1로 단축되었다. 또한 실측값과 시뮬레이션값이 거의 일치하는 것도 확인했다.

향후, 도시바 디바이스&스토리지는 이번 개발 기술을 이용해, 낮은 노이즈로 방열성이 높은 차량용 반도체 개발을 가속화하고 동시에, 자사의 차량용 기기로의 탑재를 용이하게 하는 개발 환경을 제공할 계획이다. 또한, 이번 기술을 산업 기기와 가전 등 차량용 기기 이외의 용도로도 전개해나갈 계획이라고 한다.

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