大型ブラシモーターの駆動方法

投稿日九月 17, 2019
更新日七月 1, 2024

効率が高くトルクが大きいブラシレスDCモーターにもかかわらず、多くの産業用途では大型のブラシモーターやサーボが依然として非常に一般的です。これは主に、ブラシモーターが制御が簡単で、通常は購入費用が安いため、それらを駆動する必要性がなくなることはありません。大きな産業用モーターや高電圧、高電流、またはその両方を必要とするサーボを駆動するには、小型のブラシモータードライバー統合回路では不十分です。これにより、離散コンポーネントからHブリッジを構築する必要があります。これは非常に複雑な回路図ではないため、難しい作業とは考えられません。4つのFETと保護ダイオード、ゲートドライバーのセット、そして何もショートさせないようにするコントローラーICに要約されます。ゲートドライバーとコントローラーICは、必要であれば単一のパッケージで見つけることができます。

Hブリッジの構築

これは典型的なHブリッジ設計で、ゲートドライバーは含まれていません。ブリッジを構築するには2つのオプションがあります。ハイサイドにPチャネルMOSFETを使用し、ローサイドにNチャネルを使用するか、またはNチャネルを全面に使用します。PチャネルMOSFETはNチャネルよりもRDS(on)（内部抵抗）がかなり高いことはご存知の通りで、高電流を導く際に抵抗で消費される電力から発生する熱がはるかに多くなります。しかし、PチャネルFETはハイサイドに使用するのに非常に便利で、NチャネルFETはゲートにソースよりも高い電圧が適用された場合にのみ導通します。ここでゲートドライバーが登場し、入力電圧を十分に増幅してNチャネルFETのゲートを駆動することができ、コストと回路基板の熱負荷を削減します。

ゲートドライバーのもう一つの利点は、MOSFETのゲートに多くの電流を移動させ、典型的なマイクロコントローラーピンよりも迅速にゲートから電荷を排出できる能力です。単にHブリッジを使用してモーターをどちらかの方向にオンにするだけであれば、これはあまり利点にはなりません。しかし、モーターの速度を変えるために高周波PWMを使用したり、サーボを構築したりする場合、FETのゲートに大量の電流を送り込んだり引き出したりするこの能力により、非常に高性能なソリューションを構築できます。

内部抵抗とゲート容量の点でNチャネルFETが大きな利点を持つため、ハイサイドとローサイドの両方にNチャネルを使用してHブリッジを構築することに専念します。

Hブリッジの制御

デュアルドライバー

高電圧、高PWM速度、またはその両方を扱っている場合、Hブリッジ用に2つの個別のドライバーを使用することを検討するかもしれません。単一のMOSFETゲートドライバーは素晴らしいですが、高電圧と電流はパッケージの制約のために単一のICの運用限界を超えます。DCサーボコントローラーを構築している場合、ドライバーの高PWM周波数を実行しているかもしれません。これは、モーター位置を多くの小さな調整が必要です。そのような周波数は、MOSFETのゲート電荷を迅速に充電および放電することを要求し、これにはかなりの電流が必要です。

この回路図では、2EDL05N06PFXUMA1のInfineon製品を2つ使用しています。これはEiceDriverゲートドライバーの範囲からのものです。真理値表の信号は、マイクロコントローラーによって適切に管理される必要があります。そうでないと、Hブリッジを瞬時に焼損させるシュートスルー状態が発生します。統合されたフルブリッジドライバーパッケージに対するこの保護の欠如と引き換えに、最大600Vの駆動能力と、ゲートを迅速に切り替えるための大きなソース/シンク電流が得られます。

上記の回路図スクリーンショットは、GitHub上のヘビーデューティサーボリポジトリからのものです。このオープンソースプロジェクトは、Citrus CNCのTarocco DCサーボドライブのオープンソース作業に基づいています。この100V DCサーボドライバーは、Siemens SiPlaceの変換プロジェクトでモーターを制御するために使用されました。

シングルドライバー

低電圧で作業している場合、Hブリッジの両側を処理するために統合回路を使用することが可能になり、スペースの節約と統合シュートスルー保護による安心感を提供できます。シングルドライバーが必要な場合、私は通常、同じシリーズの産業品質コントローラーの長い系譜を持つRenesas HIP4081Aに頼ります。

HIP4081Aやその他のほとんどのドライバーは、実装が非常に簡単で、高側ゲート電圧のためのデカップリングとブートストラッピングに必要なパッシブ部品がわずかです。上記の回路図は、石油・ガス産業で使用された12V、100Aモーターコントローラーからのものです。

考慮すべき仕様

Hブリッジ用のシングル、デュアル、またはクアッドゲートドライバーを使用する場合でも、考慮すべき基本的な仕様は同じです。主な関心事は、ブリッジに使用されるMOSFETとそれに付随する保護ダイオードに向かう可能性が高いです。しかし、各部品を選択した後、システムが最適であることを確認するために他の選択した部品を再度確認する必要があります。ここでの重要な点は、MOSFETのゲートからソースへの電圧とFETドライバーの出力電圧、および保護ダイオードのクランピング電圧とMOSFETの最大ドレイン-ソース電圧です。Hブリッジのために高周波PWMを実行している場合、FETドライバーの電流とMOSFETのゲート充電/入力容量も考慮する必要があります。しかし、Hブリッジの各部品の仕様を詳細に検討し、部品選択プロセスのガイドとして提供します。

MOSFETの仕様

データシートに記載されている関連する温度のリストには、これらの仕様がダーレーティングされる原因となるものがいくつかあり、定期的に取り扱わない場合は混乱を招く可能性があります。通常、T_A、T_C、T_Jがリストされています：

T_Aは、PCBの周囲温度での冷却以外に冷却されないデバイスで、通常25°Cとしてリストされています。
T_Cはケース温度で、ケースが大型のヒートシンクと強制空気または液体冷却によってこの温度に強制的に冷却されることを想定しています。
T_Jはゲート接合部の温度で、パッケージ内のシリコンです。ICをデキャップしないとこの温度を測定することはできないため、デバイスの熱特性を使用してこれを計算する必要があります。

大型のヒートシンクとアクティブ（強制空気または液体）冷却を使用していない場合は、T_Aの評価に基づいて選択肢を絞り込み、その後、計算機を取り出して特定の回路に最適なデバイスを実際に計算する必要があります。MOSFETは、回路基板上の他のデバイスにとって合理的と感じられる温度をはるかに超えても、指定されたパラメータ内で機能を続けることができます。接合部温度が175°Cに達する、またはそれを超える場合でも機能し、MOSFETに多くの余地を与えます。ただし、回路基板上の他のコンポーネントは、長期間にわたってそのような高温度に満足していないかもしれません。以下はMOSFETの最も重要なパラメータのいくつかと、それがコントローラにどのように影響するかです。

Vdss - ドレインからソースへの電圧

MOSFETの電圧は明らかなはずですが、他の仕様を最適化することに集中しすぎると、必要な電圧よりも少し低い部品を誤って選択する可能性があります。電圧は、最低限、モーターへの供給電圧である必要がありますが、モーターを迅速に動かしているときに大きなスパイクが見られるため、現実的には少なくとも25%高くする必要があります。したがって、保護ダイオードを選択した後にこの仕様を再確認することが良いでしょう。Vdssがダイオードのキャンピング電圧よりも高いことを確認しないと、MOSFETはすぐに焼損してしまいます。

VGS - ゲートからソースへの電圧

一部のMOSFETドライバは他のものよりも高い電圧を生成することがありますが、通常は問題にはなりませんが、心に留めておく価値があります。たとえば、ドライバがソース電圧よりも10V高い電圧を生成しているが、MOSFETが耐えられるのは8Vのみである場合、長持ちしないかもしれません。同様に、一部のMOSFETは最小のRDS(on)に達するためにより高い駆動電圧を必要とする場合があり、ドライバがその電圧を提供できないかもしれません。したがって、最適なシステムを確保するために、MOSFETドライバICを見るときにはVGSとRDS(on)、およびVGSのMOSFETのRDS(on)を評価する必要があります。

RDS(on) - オンドレイン-ソース抵抗/内部直列抵抗

FETの抵抗は、集積回路内で熱として失われるエネルギーの量に直接関連する重要な仕様です。パッケージが十分に速く熱を除去できない場合、集積回路は自己保護モードに入るか、その魔法の煙を放出する可能性があります。RDS（on）が低いほど、ICの周りのヒートシンクまたは銅の面積を小さくすることもできます。デバイスの定格電流に関係なく、熱が真の制限要因です。ドライバーの周りに銅を注ぐ領域が限られている場合、ドライバーができるだけ少ない熱を発生させるようにRDS（on）仕様を優先する必要があります。

ID - 電流ドレイン

モーターを不規則にパルス駆動するだけでなく、非常に大きなヒートシンクを持っている場合を除き、ドレイン電流はMOSFETを比較する際に最も重要でない仕様の一つである可能性があります。Vdssと同様に、選択したデバイスがモーターの動作を可能にするために十分に高いIDを持っていることを確認する必要があります。これには、起動電流と停止電流が含まれます。ジャンクション/パッケージから十分な熱を除去できるかどうかが、デバイスを通過できる電流の真の限界である可能性が高いため、IDはデバイスの制限要因になる可能性は低いでしょう。例えば、Infineonのようなメーカーは、さまざまな条件（VGS電圧、銅の面積など）におけるIDをデータシートに記載しており、ディレーティングのアイデアを提供します。例えば、IPT004N03LATMA1のデータシートは、ほとんどの条件下で300Aの能力があることを示しています。しかし、銅の面積がわずか6cm2の場合、その能力は72Aに過ぎません。

Ptot - 消費電力

通常、IDよりもPtotがはるかに制限的であることがわかります。例えば、上記の驚くべきInfineon MOSFETよりもはるかに高いRDS（on）を持つ非常に小さなパッケージの別のMOSFET、NexperiaのPMZB290UNEを見ると、最大総消費電力が使用を制限する方法がわかります。このデバイスはRDS（on）が380ミリオーム、最大電流が1アンペア、最大電圧が20ボルトです。1cm2の銅の面積と25°Cの周囲温度で、このデバイスの最大消費電力は360mWと評価されています。この評価は、デバイスの電圧または電流の定格をはるかに下回る290mAと3.3Vでのみ達成されることがわかります。したがって、このデバイスは最大20Vまたは最大1Aをサポートできますが、総消費電力の制約のために同時にはできません。

QG - ゲート電荷

記事の初めに、ドライバーがMOSFETのゲートに多くの電流を移動させる能力が重要であることを述べました。ゲート電荷は、ゲート容量の背後にあるほとんどの理由です。ゲートをオンにするたびに、このほどのエネルギーを供給する必要があります。そうでなければ、ゲートはオンになりません。充電をより速く供給できれば、ゲートをより速く切り替えることができます。ゲートをより速く、より頻繁に切り替えるほど、ゲート電流は高くなります。これらの電荷は非常に小さいですが、ゲートを1秒間に100万回オンにすると、ゲートの充電と放電に必要な電流が大幅に増加します。Vishayの詳細なアプリケーションノートで、ゲート電荷が切り替え時間にどのように影響するかについて詳しく読むことができます。一般的には、ドライバーを見るとき、システムが動作する周波数でMOSFETが必要とする電荷の量を計算して、それによってどれだけの電流を供給する必要があるかを考慮する必要があります。

Ciss - 入力容量

ゲート電荷と非常に密接に関連しているのが入力容量です。入力容量は、ゲート-ソース容量（Cgs）とゲート-ドレイン容量（Cgd）の合計です。入力容量は、入力から見たときのMOSFET全体の容量です。ゲート電荷は、MOSFETを動作させるために入力容量を駆動するために必要な電荷の量です。

保護ダイオード仕様

MOSFETのダイオード機能は素晴らしいですが、モーターの停止や逆転からの過渡的な電圧スパイクをクランプするために使用したいものではありません。これらの電圧は非常に高く、非常に迅速にMOSFETを焼損させたり劣化させたりすることがあります。私の経験では、TVSダイオードを使用するかショットキーダイオードを使用するかはあまり重要ではありません。耐久性のあるモーターコントローラーを望むなら、電圧スパイクの大部分を吸収するために何かが必要です。「やる価値があるなら、やり過ぎる価値がある」というフレーズのファンとして、私は通常、低側にTVSダイオードとショットキーダイオードを並列に、高側にはショットキーダイオードのみを配置して、Hブリッジが投げかけられるものに耐えられるようにします。次のダイオード仕様は、データシートでそれらに遭遇したときに重要かもしれません。

TRR - 逆回復時間

今日販売されているほとんどのショットキーダイオードは、高速回復と見なされています。速い方が良いに越したことはありませんが、大局を見ると、回復速度はHブリッジの性能にあまり影響しません。モーターの急速な起動と停止時には、モーターがオフになるとダイオードは順方向に導通し、モーターが再びオンに切り替わるとすぐに逆方向に切り替わります。ダイオードは非常に短い間隔で逆方向に電流を導くでしょう。この小さな回復時間中に逆方向の電流はかなり大きくなり、回復時間が長すぎるとシュートスルーを引き起こす可能性があります。しかし、市場に出回っているほとんどのダイオードは、MOSFETのゲートがオフになるよりもはるかに速く回復するため、これは問題になりません。

VR - 直流逆電圧

逆電圧は、Hブリッジが供給されることが予想される最大電圧よりも高くなければなりません。バッテリーを使用している場合は、公称電圧ではなく、最大充電状態を考慮してください。ダイオードが逆方向に導通し始めると、モーターで奇妙な挙動が見られるようになる前に、物事が焼損し始めるかもしれません。逆電流は比較的低いですが、特に低出力のHブリッジでは、奇妙な結果をもたらすのに十分です。

VF - 直流順電圧

この仕様はショットキーダイオードにとって非常に重要なものの一つで、できるだけ最小限に抑える必要があります。順電圧がMOSFETのボディダイオードよりも高い場合、MOSFETは外部ダイオードに頼るのではなく、内部で電圧をクランプし始め、モーターからの電圧スパイクの大部分を負担することになるかもしれません。電圧が低いと、ダイオードの発熱も少なくなり、MOSFETのために既に高温になっている基板温度を扱っているときに、高周波動作で便利です。

IO - 整流電流

ダイオードの整流電流は特に大きくする必要はありません。MOSFET電流の5％〜20％（小さいMOSFETの場合は大きい割合）で通常は十分です。モーターの駆動を停止するたびに、ダイオードは高電流の短期間のパルスを受けることになります。これは、電圧をクランプするためです。モーターのインダクタンスを知っている場合は、これを計算することができますし、汎用のHブリッジを構築している場合は、複数のモーターに対して計算するか、あるいは大まかな数値を目指すことができます。これは、最初のプロトタイプをオシロスコープでテストする際に良い仕様であり、期待が現実的かどうかを確認するのに役立ちます。ここでの注意点は、電流が期待よりも大幅に低い場合、MOSFETがダイオードではなく電流を導いている可能性があることを意味し、これは良くありません。

FETドライバーの仕様

ゲートドライバーは、ドライバーの数が異なる様々なモデルで購入できます。しかし、Hブリッジを駆動する場合、二つまたは四つのドライバーモデルに特に関心を持つことになるでしょう。単一のドライバーも有用ですが、四つの単一ドライバーを使用すると、多くのボードスペースを取るため、非常に特定の理由がない限り、二つまたは四つのオプションを望むでしょう。二つのドライバーオプションを見るときは、ドライバーがHブリッジ用であり、一つのパッケージ内の二つの独立したハイサイドドライバーではないことを確認したいです。

VIN - 供給電圧

ドライバーの供給電圧は、その内部回路を動かし、ローサイドゲートを駆動し、ブートストラップ電圧を生成するためのものです。多くのコントローラーは、ブートストラップ電圧がハイサイド電圧プラス供給電圧と等しいです。Hブリッジ用のMOSFETを既に選択している場合は、ドライバーの最小供給電圧がMOSFETの最大ゲート電圧(VGS)よりも低いことを確認する必要があります。ドライバーへの最小供給電圧がゲートの最大値よりも高い場合、MOSFETをすぐに破壊し、故障時にはHブリッジを横切って数百アンペアが短絡する可能性があるため、回路基板に非常に悪いことが起こります。

VBOOT - ブートストラップ電圧

ブートストラップ電圧が供給電圧と異なる場合は、これがMOSFETにとって高すぎないことを確認する必要があります。MOSFETのVGS仕様を確認し、これがゲートを損傷しないことを確認してください。

VDD - ロジック供給電圧

現代のマイクロコントローラーは通常、1.8vまたは3.3vのロジックレベルを持っていますが、古いものは5vで動作しているかもしれません。ドライバーがマイクロコントローラーの出力を直接ロジックに使用できるようにし、信号をより高い電圧に変換するための追加のコンポーネントが不要になるようにします。一部のゲートドライバーは4v以上のロジック閾値を持っており、これは低電圧のマイクロコントローラーでは機能しません。

IOHH - ピークプルアップ電流

この記事で何度も述べたように、ゲートドライバICを使用する主な理由は、ゲート容量を克服し、非常に迅速にゲートをオンに切り替えるために、大きな電流をゲートに移動させることができるようにするためです。使用するMOSFETが何かを把握したら、PWM速度に基づいた簡単な計算で、ゲートに毎秒移動する必要があるエネルギーの量がどれくらいかがわかり、それによってドライバがゲートに供給する必要があるピーク電流の量がわかります。

IOLH - ピークプルダウン電流

これは基本的にプルアップ電流と同じで、MOSFETを導通停止させたいときにゲート容量を排出するためのものです。計算にあまり深入りしたくない場合は、プルアップに必要な電流と同じ量のプルダウン電流が必要になると大まかに想定できます。特に高周波数のPWMを使用している場合、これら2つの電流値が使用できるゲートドライバを決定する主な要因になる可能性があります。

これらは、大きな高電流または高電圧モーターを動かすためのNチャネルMOSFET Hブリッジを構築するために必要なコンポーネントを選択する基本です。5アンペア12ボルトのモーターを扱っている場合でも、80アンペア200ボルトのモーターを扱っている場合でも、選択肢は同じで、Hブリッジの設計は同じ回路図になりますが、コンポーネントの定格が異なるだけです。

コンポーネントの選択は反復プロセスであることを覚えておいてください。MOSFETを選択したら、それが唯一の選択肢でない限り、ゲートドライバを選択した後でもそれがまだ理想的な選択かどうか再評価する必要があります。同様に、制御周波数の要件が変更された場合は、コンポーネントの選択を再度見直す必要があるかもしれません。基本的に、設計や要件に何か変更がある場合は、選択したコンポーネントがまだ最適かどうかを確認するために、コンポーネントの選択を再度確認することをお勧めします。

多くの決定を下し、考慮すべき複雑な仕様がたくさんあるように思えるかもしれません。しかし、この記事の冒頭でHブリッジの回路図をもう一度見てください。かなりシンプルですよね？ここでのほとんどの仕様は、負荷が要求する電流と電圧を各コンポーネントが処理できるようにする、ただの常識的な選択です。実際、Octopart^®でいくつかのフィルターを使用して可能なコンポーネントのリストを簡単に絞り込み、その中から最もアプリケーションに適したものを選択することができます。

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