AN216 - ブラシレスDC (BLDC) モータ位相アンダーシュート
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はじめに
ブラシレスDC (BLDC) モータ駆動回路では、PCB上の寄生インダクタンスにより、モータの位相ノードがスイッチング中に短期間、負の電圧に駆動されることがよくあります。この問題は、高電流、低インダクタンスのモータではさらに悪化し、スイッチング中のdI / dtが非常に高くなる可能性があります。
MP653xファミリなどの MPSのBLDCプリドライバは、位相ノード上の負の過渡現象に耐性があります。ただし、極端な場合には、負の過渡現象によってデバイスが損傷する可能性があります。
アンダーシュートの原因
モータに電流を流す場合を考えてみましょう。ハイサイドMOSFET (HS-FET) の場合、スイッチがオフになってもモータの誘導性の性質により、電流は同じ方向に流れ続ける必要があります。最初に、再循環電流はローサイドMOSFET (LS-FET) のボディダイオードを通って流れます。ほとんどのドライバでは、LS-FETがオンになります。
ボディダイオードは最終的にグランドより低いダイオードドロップで電圧をクランプします。ただし、ボディダイオードのリカバリ特性とPCBの寄生インダクタンスが組み合わさって、位相ノード (SHx) に負のアンダーシュートが発生します (図1参照)。
高い電流と、低いモータインダクタンスによって引き起こされる高いdI / dtは、この負のアンダーシュートを悪化させます。
図1 : 負のアンダーシュート
MPSのゲートドライバの負電圧耐性
MPSのゲートドライバICは、位相ノード (SHx) での負のアンダーシュートを許容するように設計されています。仕様の絶対最大定格については、関連するデータシートをご参照ください。
位相ノードに加えて、ブートストラップピン (BSTx) に何が起こるかを考慮しましょう。BSTxとSHxの間にコンデンサがあるため、SHxの負のアンダーシュートが大きいと、BSTxピンがSHxに対して過剰な電圧にさらされるか、負の電圧に駆動される可能性があります。ブートストラップ容量が大きいとアンダーシュート量が増加し、ICが損傷する可能性があります。
軽減テクニック
一般に、優れたPCBレイアウトでは、負のアンダーシュートがICの過渡絶対最大定格内に収まるため、他に考慮する必要はありません。場合によって、特に低インダクタンス / 高電流モータを使用する場合には、追加保護が必要になる場合があります。
推奨される軽減テクニックは、小さな直列抵抗 (通常は10Ω) ICのSHxピンへの接続と直列に接続し、SHxとグランドの間にショットキーダイオードを追加することです。ハイサイドのゲート充電電流と直列に配置されているため、抵抗は非常に小さく保つ必要がありますのでご注意ください (例:22Ω未満)。
図2は、SHx上のショットキーダイオードの配置場所を示しています。
図2 : SHxのショットキーダイオード
SHxで繰り返し負のアンダーシュートが発生すると、ブートストラップコンデンサが過剰な電圧に充電される可能性があります。この過電圧状態は、ブートストラップ回路に損傷を与えたり、SHx出力がHighに駆動されたときにHS-FETゲートの破壊を引き起こしたりする可能性があります。この場合、BSTxとSHxの間に過渡電圧抑制 (TVS) ダイオードを接続できます。
TVSダイオードは、最大HS-FETゲート駆動電圧を超えてブレークダウンする定格である必要があります。MP653xデバイスの場合は、12V TVSダイオードが推奨されます。TVSダイオードは、内部ブートストラップ回路のブレークダウン電圧を超えないように、BSTxとSHxの間の電圧をクランプします。
BSTxにTVSダイオードを配置する代わりに、SHxにショットキーダイオードを配置することを推奨します。TVSダイオードを使用したソリューションでは、SHxアンダーシュートが極端に発生した場合、BSTxピンが負の電圧を受ける可能性があります。
図3は、TVSダイオードを使用したソリューションを示しています。
図3 : BSTxとSHx間のTVSダイオード
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