モータ駆動における集積ドライバとゲートドライバの比較

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集積されたドライバは、ICプロセスと互換性のある電圧および電流の定格に制限されているため、利用可能な最高の電圧定格は80V～100Vになります。さらに、これらのドライバは最大約15Aまで駆動できます。

機能が統合されたモノリシック・ドライバは、電源電圧が通常35V未満で、モータ電流が5A未満のプリンタなどの大量生産アプリケーションでほぼ独占的に使用されています。

モノリシック・ドライバの例として、MPSのMPQ6541があります。MPQ6541は、車載仕様の3チャネルの電力段です。最大45Vの供給電圧と8Aの連続負荷電流、またはチャネルあたり15Aのピーク電流定格です。このモータ・ドライバには、それぞれ15mΩのR_DS(ON) 持つ6つのMOSFETが統合されています。これは、この電力レベルで利用可能な最小デバイスであり、TQFN-26 (6mm x 5mm) フリップチップ・パッケージに収納されています。

図1は、MPQ6541のブロック図です。

MPQ6541は各チャネルの電流測定を統合しています。これにより、大型で高価な電流検出抵抗や電流検出アンプが不要になります。

図1: MPQ6541ブロック図

ゲートドライバ (プリドライバ)

2番目のオプションは、ディスクリートのパワーMOSFET (場合によっては他のパワーデバイス) を使用してモータに電流を流し、MOSFETはゲートドライバIC、プリドライバ、または複数のゲートドライバを介して制御されます。

100Vを超える高電圧または非常に高い電流を必要とするアプリケーション向けのモノリシック・ソリューションは存在しません。このような場合、ゲートドライバとディスクリートMOSFETが必要です。

この状況では複数のデバイス (場合によっては3つのゲートドライバと6つのパワーMOSFET) が必要になるため、ソリューションのサイズ、つまりモータ・ドライバが占めるPCB面積) は、モノリシック・ドライバが必要とするサイズよりもはるかに大きくなります。

高度に統合されたゲートドライバの例として、MPQ6533があります。これは、スルーレート制御や内部診断機能などの統合機能を備えた3チャネルのゲートドライバICです。このデバイスは QFN-32 (5mm x 5mm) パッケージで提供されます。これはモノリシックなMPQ6541よりわずかに小さいだけです。

図2は、MPQ6533のブロック図です。このソリューションには6個のパワーMOSFETが必要です。一般的に、3つのデュアルMOSFET (2つのMOSFETを1つのICパッケージにまとめてパッケージ化したもの) が使用されます。

図1: MPQ6533ブロック図

コストに関する考慮事項

アナログおよびミックスド・シグナルICプロセスは、専用のディスクリートMOSFETプロセスよりもはるかに複雑です。ICプロセスで低R_DS(ON) のMOSFETを製造すると、シリコンの広い面積を必要とするので、同じR_DS(ON) とMOSFETプロセスの電圧をもつデバイスのコストは、通常、専用のディスクリートMOSFETプロセスで同様のデバイスを製造する場合よりも高くなります。

低電流および / または低電圧のモータ・ドライバの場合、ICプロセスでMOSFETを製造することによるペナルティはわずかです。制御機能と保護機能はダイの大部分を占めるため、MOSFET用の領域を追加しても、外付けMOSFETを使用する場合ほどコストは高くなりません。

ただし、大電流アプリケーションの場合、ICプロセスにおけるMOSFETのコストがデバイスのコストを支配し始めます。15Aのモータ電流をサポートできるモノリシックなモータ・ドライバがありますが、それらは通常、ゲートドライバとディスクリートMOSFETを使用した実装よりも高価です。

小さいサイズのモノリシック部品が非常に高く評価され、より高価なソリューションが正当化されることがあります。たとえば、使用できるスペースがほとんどないモータ内に統合ドライバが必要な一部のシステムです。これらの状況では、ゲートドライバとMOSFETを使用したソリューションが、限られたスペースに収まらない場合があります。

モノリシック・ソリューションとゲートドライバ・ソリューションの相対的なコストの大まかな目安を得るために、モノリシックICと、3つのデュアルMOSFETと3つの電流検出抵抗を備えたゲートドライバICのコストを比較します。バイパスなどのその他のサポート部品コンデンサは、両方のソリューションで同程度の価格です。これらのコストは少量でのカタログ価格に基づいているため、実際の量産価格は通常、はるかに安くなります。

表1は、専用モノリシックICとディスクリートMOSFETを使用したゲートドライバICのコスト比較を示しています。

表1 : コスト比較

ソリューションサイズ

モノリシック・ドライバは、ほとんどの場合、ゲートドライバとディスクリートMOSFETを使用した同等のソリューションよりも小型です。

例として、MPQ6541が占有するPCB面積と、パワーMOSFETを追加したMPQ6533とを比較します (図3参照)。どちらの部品もパッケージサイズが小さいという点で業界をリードしていますが、MPQ6541は130mm²、MPQ6533では520mm²と4倍大きいサイズを占め、サイズが大きく異なります。ここに示すゲートドライバ・ソリューションは、小型パッケージでデュアルMOSFETを使用しています。それ以外の場合は、MOSFETがはるかに大きくなり、ソリューションのPCB面積がさらに増加します。

図3: MPQ6541とMPQ6533のソリューションサイズ

熱に関する考慮事項

パワーMOSFETで発生する熱を効果的に放散するために、PCBは通常、ヒートシンクとして使用されます。通常、パッケージが大きいほどPCBへの熱伝導率が高くなるため、熱放散の観点からは、ソリューションが大きいほどすぐれています。パワーMOSFETは一般的に大きいため、これはゲートドライバを使用するソリューションに有利に働く可能性があります。低R_DS(ON) パワーMOSFETは容易に入手できるため、場合によっては (特に過酷な環境で動作する必要があるアプリケーションの場合)、熱を考慮するとモノリシック・ドライバを使用できない場合があります。

モノリシック・ドライバは、より小さなパッケージで提供されます。これらのパッケージの高い熱抵抗を補償するために、所定の電流に対するR_DS(ON) は、ディスクリートMOSFETを使用した同等のソリューションの場合よりも低くする必要があります。

MPQ6541とその小さいサイズについて考えてみましょう。PCBが正しく設計されていると、この部品によってかなりの電流を駆動できます。図4は、3相ブラシレス・モータに6Aの電流を供給している間の、5cm x 5cmで2層PCB上のMPQ6541の温度を示しています。測定されたケースの温度は、周囲温度より38°C高くなりました。内部プレーンを備えた4層PCBは、温度上昇をさらに低下させます。

図4: MPQ6541熱画像

表2は、モノリシック・ソリューションとゲートドライバ・ソリューションの主な違いをまとめたものです。

表2: 部品比較

結論

モノリシックなモータ・ドライバと、モータを駆動するための外付けMOSFETソリューションを備えたゲートドライバの選択は複雑です。コスト、ソリューションサイズ、および熱特性間の兼ね合いを考慮する必要があります。

非常に小さいモータの場合、モノリシック・ドライバが最適なソリューションです。同様に、非常に高出力のモータの場合は、ゲートドライバとディスクリートMOSFETを使用したソリューションを使用する必要があります。ただし、両方のソリューションには大きな重複があるため、設計者はアプリケーションの仕様を考慮して選択する必要があります。詳細については、MPSのモータ・ドライバICソリューションをご参照ください。

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