モータードライブにMOSFETドライバーを使用する

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はじめに

モータードライブシステムでは、モーターの駆動に必要な高電流を供給するために、ゲートドライバーまたは「プリドライバー」ICがNチャネルパワーのMOSFETとともに使用されることがよくあります。ドライバIC、MOSFET、および場合によっては関連する受動部品を選択する際には、設計上の考慮事項がいくつかあります。多くの場合、このプロセスは十分に理解されておらず、実装は最適とは言えません。

この記事では、プリドライバ/パワーMOSFET回路のコンポーネントを選択する簡単な方法と、結果として得られるシステムのパフォーマンスについて説明します。

モーターから始める

DCモータードライブをデザインするには(ブラシモーター用か三相ブラシレスモーター用か)、モーターの特性によってドライブのデザインの詳細が決まります。ドライブの設計を定義するのに役立つ2つの主な要因は、モーターの動作電圧と電流の要件です。

ただし、これらのパラメーターは、最初に表示されるほど単純ではありません。モーターには通常、電圧と電流の定格が与えられていますが、実際の動作では、動作値がこれらの定格と異なる場合があります。モーター速度は、印加される電圧によって決まります。モーターに必要な電流は、モーターにかかるトルクによって異なります。したがって、ドライブはモーターの完全な仕様に合わせて設計する必要がある場合とない場合があります。

速度定数とトルク定数(通常はモーターのデータシートに記載されています)を使用して、特定のアプリケーションに必要な電圧と電流を推定できます。ドライブは、少なくともモーターから目的の速度を得るのに必要な電圧と同じ高さの電圧から電力を供給される必要がありますが、供給電圧は、多くの場合、システムで使用可能な電圧によって決定されます。最大電流要件は通常、機械的負荷でモーターを始動するために必要なトルクによって設定されます。

MOSFETの選択

少なくとも電源電圧とモーターに必要な最大電流の定格を持つパワーMOSFETを選択するようにしてください。ある程度のマージンも必要です。

一般的に、MOSFETのドレイン-ソース間電圧定格(VDS)は、供給電圧より少なくとも20%高くする必要があります。場合によっては、特に高電流、大きなトルクステップ、および不十分に制御された電源を備えたシステムでは、この必要なマージンは電源電圧の2倍にもなる可能性があります。

もちろん、MOSFETの定格電流は、モーターに必要なピーク電流を供給するのに十分な高さである必要がありますが、通常は熱的な考慮事項が支配的です。 MOSFETは電力を消費し、ドレイン-ソース抵抗RDS(ON)で熱を発生します。周囲温度やMOSFETで利用可能なヒートシンクなどの熱的制約により、消費できる電力量に制限が設定されます。この最大許容消費電力により、RDS(ON)値に基づいてMOSFETが選択されます。

必要な電圧定格とRDS(ON)が決定されたら、総ゲート電荷(QG)を考慮することが重要です。ゲート電荷は、MOSFETのオンとオフを切り替えるために必要な電荷量の尺度です。 QGが低いMOSFETは駆動が簡単です。 QGが低いゲート駆動電流でより速く切り替えることができます。

ゲートドライブ電流と立ち上がり/立ち下がり時間

パワーMOSFETのゲートは、ゲート端子とソース端子間の非線形容量と見なすことができます。ゲートはDC電流を流しませんが、MOSFETをオン/オフするためにゲート容量を充電および放電するために電流が必要です。ゲートに供給される電流の量によって、MOSFETが完全にオンになるまでにかかる時間が決まります。同様に、電流がゲートから引き出されると、その電流量がMOSFETのオフになる時間を設定します。

ゲートを駆動するために何が必要かを理解するには、MOSFETをどれだけ速く切り替える必要があるかを知る必要があります。低いスイッチング損失(速い立ち上がり時間と立ち下がり時間が必要)と低いEMI(遅い立ち上がり時間と立ち下がり時間が必要)の間には、設計上のトレードオフがあります。さらに、PWM周波数と必要な最小および最大のデューティサイクルにより、スイッチングの速度に時間制限が課せられます。たとえば、PWM周波数が20kHzの場合、デューティサイクルが1%の場合、500nsの長さのパルスを生成する必要があります。これには、数百ナノ秒以下の立ち上がり/立ち下がり時間が必要です。

必要な立ち上がり/立ち下がり時間を決定した後、必要なゲートドライブ電流を計算します。 これは、QG / tとして見積もることができます。 ここで、QGは総ゲート電荷、tは必要な立ち上がり/立ち下がり時間です。

これは、実際には、立ち上がり/立ち下がり時間全体にわたってドライブする必要がある電流の量であることに注意してください。

ほとんどのゲートドライバは定電流ドライバではないためゲートドライブ電流は通常、この時間の間にいくらか変化します。定電流をゲートに供給する場合、ゲートの電圧は直線的な勾配ではなく、時間の間にミラー期間に達します。 MOSFETがスイッチングしていること(図1を参照)。これは「ミラー期間」と呼ばれ、ゲート・ドレイン容量によって引き起こされます。ドレインが遷移しているとき、この静電容量は充電に電流を消費するため、ゲート-ソース間容量の充電は遅くなります。

ゲートを充電するために提供される電流が小さいほど、遷移が完了するまでの時間が長くなります


図1:1A定電流ゲートドライブ(100nCー赤=ゲート、紫=ドレイン、200ns / div)

図2:12Ω直列抵抗の12Vゲートドライブ(100nCー赤=ゲート、紫=ドレイン、200ns / div)

図2は、12Ωの直列抵抗で12Vの定電圧ゲートドライブを使用した場合の波形を示します。 ミラー期間が存在するため、ゲートが12Vに達するまでに時間がかかりますが、ドレインでのスイッチング時間はほぼ同じです。.

プレドライバーICの選択

必要な最小ゲートドライブ電流がわかったら、この電流をサポートできるゲートドライバ(プリドライバ)IC を選択します。これらの部品は多種多様であり、チャネル数、ゲート駆動電流機能、および供給電圧範囲が異なります。一部の部品には、電流検出アンプや保護回路などの追加の集積機能もあります。

プリドライバICは、MPSを含む電源管理用の製品を製造する多くの半導体サプライヤから入手できます。 DCモータードライブ用に設計されたさまざまなシングルチャネルおよび3チャネルプリドライバーICがあり、3チャネル 60V および 100V ファミリー、 単相, 100V デバイスが含まれます。

一部のプリドライバーICは、リニアレギュレータ、チャージポンプ、および/またはブートストラップコンデンサを使用して、メインモーター電源から内部的に必要なゲート駆動電圧。その他には、個別のゲートドライブ電源が必要です。 100%のデューティサイクルで動作するには(出力が長時間に高の場合)、内部チャージポンプを備えたプリドライバを選択して、ハイサイドゲートを長時間オンに保ちます。ハイサイドのブートストラップのみに依存するプリドライバーは、リークがしばらくするとブートストラップコンデンサーを排出するため、ハイサイドMOSFETを限られた時間だけオンに保つことができます。

ゲートドライバーは、少なくとも上記で必要な立ち上がり時間と立ち下がり時間を達成するために必要な電流ですが、より多くの電流機能を備えたドライバーを使用することもできる必要があります。

一部のドライバーICには、部品内部のゲートドライブを変えることによって立ち上がり時間と立ち下がり時間を調整する方法(「スルーレート調整」とも呼ばれます)を提供します。スルーレート調整機能を内蔵していない部品を使用する場合、ゲートドライバ出力とMOSFETゲートの間に抵抗を挿入することができます。これにより、ゲート電流が制限され、立ち上がり時間と立ち下がり時間が遅くなります。

ダイオードを追加して、独立した立ち上がり時間と立ち下がり時間を取得します(図3を参照)。

図3:ダイオードを追加するための図

図4:ゲートと出力の波形

これは、多くの場合、ハーフブリッジ構成の1つのFETが完全にオフになってから、反対側のFETがオンになるようにするために行われます。これにより、デッドタイムが保証されます。図4は、ローサイドゲート(GLA)がダイオードを介して放電されるときに非常に急速に低下しますが、ハイサイドゲート(GHA)は抵抗のためにゆっくりと充電されることを示しています。その結果、出力(SHA)での立ち上がり時間が遅くなり、ハイサイドMOSFETのターンオンによって制御されます。

ゲートには非線形容量があり、ドライバは通常、真の電圧または電流源ではないため(通常線形領域で動作している場合のFET)特定の立ち上がり時間または立ち下がり時間を達成するために必要な抵抗を正確に計算することは難しい場合があります。通常、実験的に、またはシミュレーションを通じて適切な値を導き出すのが最善です。ゲートドライブ電流がゲート駆動電圧(多くの場合12V)を直列抵抗で割った値に等しくなるという仮定から始めて、そこから作業します。この計算を行うときは、ゲートドライバの出力抵抗も必ず含めてください。


結論

この記事では、プリドライバICとパワーMOSFETを備えたモータードライブで使用するのに最適なコンポーネントを選択するための実用的な情報を提供しました。うまくいけば、モータードライブのデザインで適切なICと関連コンポーネントを選択するのに役立つでしょう。

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