BLDC 드라이버 회로 구성 – 3상 모터를 제어하는 법

BLDC 모터는 이름 그대로 브러시가 없는 구조를 가지고 있으며, 전자 제어를 통해 회전하는 고성능 모터입니다.
내구성이 높고, 소음이 적으며, 정밀한 속도 제어가 가능하기 때문에 드론, 공기청정기, 전기자전거, 서버 냉각 팬, 산업용 장비 등에서 폭넓게 활용됩니다.
하지만 BLDC 모터는 단순한 직류 전원으로는 작동하지 않고, 정해진 순서대로 3상 코일에 전류를 흘려야 회전이 가능합니다.
이를 위해 반드시 BLDC 드라이버 회로가 필요하며, 이 회로는 3상 신호 생성, 모터 위치 감지, 스위칭 제어 등 복합적인 기능을 수행합니다.
이번 글에서는 BLDC 드라이버의 구조, 제어 방식, 실무 회로 구성, 센서 유무에 따른 차이점 등을 단계적으로 정리해보겠습니다.

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BLDC 모터의 구조 이해

BLDC 모터는 고정자(정지된 코일)와 회전자(영구자석)으로 구성되어 있으며,
고정자의 세 개 코일에 특정 순서로 전류를 인가하면 회전자에 자속이 생기고,
그 상호 작용으로 회전이 발생합니다.
이때 필요한 것은 단순 전류가 아니라, 정확한 타이밍과 위상을 가진 3상 전류입니다.
그래서 모터 제어는 단순 스위치 ON/OFF보다 훨씬 복잡하며, 드라이버 회로와 제어 알고리즘이 핵심이 됩니다.

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3상 구동 회로의 기본 구성

BLDC 모터는 3개의 상(A, B, C)에 전류를 번갈아 가며 공급해야 하며,
이를 위해 각 상에 2개의 MOSFET이 사용된 하프 브리지(Half-Bridge)가 기본 단위입니다.
즉, 전체 회로는 총 6개의 MOSFET으로 구성된 3상 인버터 구조를 갖습니다.

• 상 A: High-Side FET + Low-Side FET
• 상 B: High-Side FET + Low-Side FET
• 상 C: High-Side FET + Low-Side FET

이 MOSFET들을 빠르게 제어하기 위해 게이트 드라이버 IC가 함께 사용되며, 일반적으로 3상 전용 드라이버(IC)는 6개의 게이트 제어 신호를 출력합니다.

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센서 구동 vs 센서리스 구동

BLDC 모터를 회전시키기 위해서는 회전자(자석)의 위치를 알아야 코일에 정확한 타이밍으로 전류를 공급할 수 있습니다.
이 위치를 확인하는 방법에 따라 다음 두 가지 방식으로 나뉩니다:

• 센서 방식 (Hall Sensor): 모터 내부에 Hall 센서를 탑재하여 위치 정보를 직접 얻음
• 센서리스 방식: 역기전력(Back-EMF)을 측정하여 위치를 추정함. 하드웨어 단순하지만 정지 상태에서 구동이 어려움

소형 팬이나 산업용 BLDC는 센서 방식이 많고, 저가형 가전이나 드론 등에서는 센서리스 방식이 일반적입니다.

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게이트 드라이버 IC의 역할

3상 회로에서 각 MOSFET을 정확한 타이밍으로 제어하려면 MCU만으로는 부족하며,
3상 게이트 드라이버 IC (예: DRV8313, IR2103, FAN73832 등)가 사용됩니다.
이 드라이버는 MCU에서 받은 PWM 신호를 증폭/조절하여, High-Side와 Low-Side MOSFET을 안전하게 스위칭합니다.
특히 하이사이드 구동 시에는 부트스트랩 회로가 내장되어 있어 전압 레벨을 맞춰주는 역할도 합니다.

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전류 센싱과 보호 회로

BLDC 회로에서는 과전류, 단락, 과온도 등을 감지하고 보호하는 기능이 필수입니다.
보통 샌스 저항 + 증폭기 + MCU ADC 조합으로 각 상의 전류를 측정하며,
이 데이터를 통해 모터 부하 판단, 토크 제어, 전류 제한 기능을 구현할 수 있습니다.
또한, 과전류 차단(OCP)이나 단락 방지 회로(SCP)를 드라이버 IC 수준에서 내장한 제품도 많습니다.

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회로 설계 시 주의사항

• 각 상의 트레이스는 대전류에 견딜 수 있는 폭과 두께 확보
• MOSFET은 Rds(on)가 낮고, 스위칭 특성이 좋은 모델 선택
• Dead Time 설정으로 상하단 FET이 동시에 켜지지 않도록 주의
• 게이트 드라이버의 전원은 노이즈 차단 필터와 바이패스 캐패시터 필수
• GND Loop 최소화, 전류 루트 명확히 분리

BLDC 회로는 단순히 잘 작동하는 것이 아니라, 효율, 발열, 안정성까지 모두 고려한 설계가 필요합니다.

 

실무 적용 사례

• 드론 구동 보드: 소형 센서리스 BLDC + 모터 드라이버 IC + PWM 제어
• 전기자전거 컨트롤러: 3상 센서 방식 + 전류 센싱 + 속도 폐루프 제어
• 공기청정기 팬 모듈: Hall 센서 기반 정속 제어 + Quiet Mode 구현
• 3D 프린터 냉각 시스템: 소형 센서리스 BLDC + 온도 연동 속도 조절

BLDC 회로는 다양한 제품에 적용되며, 전력 효율과 소형화를 동시에 달성할 수 있는 강력한 솔루션입니다.

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BLDC 제어는 전자공학의 종합 응용입니다

BLDC 드라이버 회로는 단순한 스위칭 회로가 아니라, 전력전자 + 제어공학 + 회로 설계가 모두 결합된 복합 시스템입니다.
3상 제어, 위치 감지, PWM 생성, 보호 회로 구성까지… 하나하나가 실전에서 매우 중요한 요소입니다.
하지만 원리를 정확히 이해하고, 드라이버 IC와 MCU, 센싱 회로를 잘 조합하면 비교적 단순한 구성으로도 강력한 성능을 얻을 수 있습니다.
BLDC는 오늘날 소형 고성능 모터의 대표주자이며, 제대로 다룰 수 있다면 여러 제품에 응용 가능한 큰 무기가 될 수 있습니다.

 

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실무 개발 중 자주 겪는 문제와 해결 팁

BLDC 회로를 직접 구성하다 보면 가장 많이 마주치는 문제는 모터가 턱 하고 멈추거나, 떨리기만 하고 회전하지 않는 현상입니다.
이러한 증상은 대부분 스위칭 순서 오류, 센서 신호 해석 문제, 데드타임 부족, 또는 FET 게이트 신호 불안정에서 비롯됩니다.
특히 센서리스 구동의 경우 역기전력 검출이 제대로 되지 않으면, 시작 시점부터 회전이 불가능할 수 있습니다.
이런 문제를 해결하려면 오실로스코프로 각 상의 전류 파형과 FET 게이트 파형을 정밀하게 분석하는 것이 중요합니다.
또한, 실험 초기에는 저속 구동부터 시작하여 점진적으로 PWM 듀티비를 올리는 방식으로 테스트해야 발열과 고장을 줄일 수 있습니다.