効率的な電池駆動BLDCモータ駆動システムのためのGaNパワー段の統合方法

著者 Jens Wallmann

2023-02-22

協働ロボット（コボット）、電動自転車、産業用ドローン、電動工具などの電池駆動アプリケーションでは、スモールフォームファクタを備えた軽量で強力な電気モータが必要とされています。ブラシレスDC（BLDC）モータは優れた選択肢ですが、モータドライブエレクトロニクスには設計上の考慮事項が多くあり、非常に複雑です。設計者は、トルク、速度、位置を厳密に制御しつつ、振動、ノイズ、電磁波（EMR）を最小限に抑えて高精度を確保する必要があります。また、かさばるヒートシンクや外付けワイヤハーネスは、重量、スペース、コストを節約するために避ける必要があります。

大抵の場合、設計者にとって課題になるのは、設計要件と時間や予算の制約とのバランスを取りながら、損害をもたらす開発エラーを回避することです。そのための方法の1つは、BLDCモータの駆動に必要なパワー段に対し、窒化ガリウム（GaN）などの高速・低損失の半導体技術を活用することです。

この記事では、GaNベースのパワー段の相対的な利点について説明し、ハーフブリッジトポロジで実装されたEPCのサンプルデバイスを紹介します。また、関連する開発キットを使用して、プロジェクトを迅速に開始する方法も解説します。設計者は、Microchip TechnologyのmotorBench開発スイートを使用して、プログラミング労力を最小限に抑えながら、BLDCモータのパラメータを測定し、センサレスフィールド指向制御（FOC）で動作させる方法を学ぶことができます。

GaNの利点

開発者は、電池アプリケーションでBLDCモータを効率的に制御するために、アクチュエータのできるだけ近くに実装できるスモールフォームファクタを備えた効率的で軽量なドライバ段を必要としています。たとえば、モータのハウジング内です。

絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（IGBT）は堅牢で、最大200kHzで100MWまでの高電力をスイッチングできますが、最大80Vの電圧で電池充電を管理しなければならないデバイスには適しません。高い接触抵抗、フリーホイールダイオード、スイッチング損失、ターンオフ時の電流テールが組み合わさることで、信号の歪み、過剰発熱、スプリアス発射の原因となります。

金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（MOSFET）は、IGBTに比べてスイッチング速度が速く、スイッチング損失や抵抗損失が低いのですが、そのゲート静電容量には、高いスイッチング周波数で動作するために強力なゲートドライバが必要となります。高周波数で動作可能であることが重要なのは、設計者がより小さな電子部品を使用して全体のスペース要件を低減できるためです。

GaN高電子移動度トランジスタ（HEMT）を利用すれば、キャリア移動度が高いため、半導体接合の形成と破壊を極めて高速かつ低損失で行うことができます。EPCのEPC23102ENGRTのような統合型GaNドライバは、非常に低いスイッチング損失と高いスイッチング周波数を特長とし、狭いスペースでも小型のデバイス設計を実現できます。モノリシックチップには、レベルシフタを備えた入力ロジックインターフェース、ブートストラップローディングおよび、ハーフブリッジトポロジのGaN出力FETを制御するゲートドライバ回路が搭載されています（図1）。チップパッケージは、高熱放散と低寄生インダクタンスに最適化されています。

図1：EPC23102は、制御ロジック、レベルシフタ、ゲートドライバおよび、ハーフブリッジトポロジのGaN出力FETを搭載しています（左）。チップパッケージ（右）は、高熱放散と低寄生インダクタンスに最適化されています。（画像提供：EPC）

廃熱とEMRの低減

EPC23102出力トランジスタの標準的なドレイン-ソース間オン抵抗（R_DS(on)）は、5.2mΩ（25℃時）です。電圧は最大100V、電流は最大35Aまで対応可能です。さらに、GaNデバイスの横構造と本質的なボディダイオードの欠如により、非常に低いゲート電荷（Q_G）と逆回復電荷（Q_RR）を提供します。

GaNドライバは、同程度のR_DS(on)を備えたMOSFETデバイスと比較して、最大5分の1のスイッチング損失を実現します。これにより、GaNベースのインバータは、比較的高いパルス幅変調（PWM）周波数（最大3MHz）と、短いデッドタイム（50ns未満）で動作することができます。

高いスイッチング速度（dV/dt）とGaN半導体の低い温度係数、寄生インダクタンスを低減したパッケージ設計により、信号の歪みを最小限に抑え、EMRとスイッチング損失を最小化することができます。これにより、フィルタリング戦略の必要性を低減し、小型で低コストのコンデンサやインダクタによって基板スペースを節約できます。

低接触抵抗R_DS(on)に加え、GaN基板の高熱伝導性や部品パッケージの大きな熱接触面積といったGaNデバイスのその他の利点により、GaNパワー段はヒートシンクなしで最大15Aの電流をスイッチングすることができます（図2）。

図2：周囲温度25.5℃、異なるPWM周波数でのGaNパワー段の温度上昇と相電流の関係。（画像提供：EPC）

EPC23102は、ローサイドからハイサイドのチャンネルへの堅牢なレベルコンバータも備えており、大きな負端子電圧下でもソフト/ハードスイッチング条件下で動作し、外部ソースや隣接相から発生するものなど、高速のdV/dt過渡による誤トリガを回避するように設計されています。内部回路は、ロジックとブートストラップ電源の充電機能とディスエーブル機能を統合しています。また、保護機能により、電源の電圧低下時や故障時に出力FETの望ましくないターンオンを防止します。

すぐに使用可能なモータインバータ評価セット

GaN技術を備えた三相BLDCモータを使用開始する最も簡単で迅速な方法は、EPCのEPC9176KITモータインバータ評価キットを使用することです。このキットは、EPC9176モータインバータボードとDSPコントローラボードで構成されています。また、お客様専用のホストコントローラで制御するためのシンプルなEPC9147Eコントローラプラグインアダプタも付属しています。カップリングコネクタは、以下の信号を伝送します：3×PWM、2×エンコーダ、3×U_phase、3×I_phase、U_DC、I_DC、2×ステータスLED。

EPC9176モータインバータボードは、リファレンス設計としてインハウスでの回路設計を容易にします。一方、EPC9147Aコントローラボードは、Microchip TechnologyのmotorBench開発環境と併用することで、符号化やプログラミングに時間を費やすことなく迅速に起動できます。

三相BLDCモータインバータは、3つのEPC23102 GaNハーフブリッジドライバを統合して、ACまたはDCモータとDC/DCパワーコンバータを制御します。最大6.6mΩのR_DS(on)により、最大100Vのスイッチング電圧で常時動作させた場合、パワー段は最大28Aのピーク（A_pk）または20Aのrms（A_RMS）の負荷電流でも熱損失をほとんど発生させません。多相DC/DC変換用に構成されたEPC23102は、モータドライブアプリケーション用に最大500kHzおよび最大250kHzのPWMスイッチング周波数をサポートしています。

8.1×7.5cmのEPC9176モータインバータボードには、DCバスコンデンサ、ゲートドライバ、安定化補助電圧、相電圧、相電流、温度測定、保護機能、オプションで位相の高調波フィルタやEMRフィルタなど、完全なモータインバータをサポートするために必要なすべての重要機能回路が含まれています（図3）。

図3：EPC9176モータインバータは、DCバスコンデンサ、ゲートドライバ、電圧レギュレータ、電圧センシング、電流・温度保護機能、EMRフィルタを搭載しています。（画像提供：EPC）

三相GaNインバータは、入力電圧14～65V_DCで動作します。オーバーシュートすることなく切り替わり、スムーズなトルクと作動ノイズの最小化を実現します。このボードは、GaN標準の10V/ns未満の高速スイッチングスロープに最適化されていますが、DC/DCコンバータを動作させるためにオプションで縮小することもできます。さらに、異なる電圧レベルで動作する2つのローター位置センサ（ホールセンサ）を接続することも可能です。

無振動のトルクと低い作動ノイズ

三相BLDCモータの実装例は、デッドタイムのパラメータ設定がモータの滑らかな動作とノイズの発生に与える影響を示しています。GaN FETをベースとするハーフブリッジのハイサイドFETとローサイドFETのスイッチング遷移におけるロック時間は、GaN HEMTが極めて高速に反応し、低速MOSFETのような寄生オーバーシュートが発生しないため、非常に少なく選択することが可能です。

図4（左）は、MOSFETの標準的なデッドタイムである500ns（PWM周波数40kHz時）で動作するGaNインバータを示しています。正弦波相電流は本来は滑らかであるはずですが、非常に大きく歪んでいるため、トルクリップルやそれに伴うノイズが大きくなってしまいます。図4（右）では、デッドタイムを50nsまで短縮して正弦波相電流を確立し、ノイズの非常に少ない滑らかな動作のモータを実現しました。

図4：MOSFETに標準的な40kHzのPWM周波数（左）で500nsのデッドタイムが発生すると、相電流の歪みが大きくなり、トルクリップルやノイズレベルが高くなります。デッドタイム50ns（右）で正弦波相電流を確立すると、低ノイズでスムーズにモータを回転させることができます。（画像提供：EPC）

相電流のリップルが少ないということは、ステータコイルの磁化損失も少ないということです。一方、相電圧のリップルが少ないと、特に小型設計に使用される低インダクタンスのモータでは、トルクや速度をより正確に制御できるとともに、高い分解能を実現できます。

より大きな電力を必要とするモータドライブアプリケーション向けには、EPC9167HCKIT（1kW）とEPC9167KIT（500W）という2種類のGaNインバータボードが用意されています。いずれも、最大3.6mΩのR_DS(on)と最大80Vのデバイス電圧を備えたEPC2065 GaN FETを使用しています。EPC9167ボードでは各スイッチング位置に1個のFETを使用しますが、EPC9167HCでは2個のFETを並列動作させ、最大42A_pk（30A_RMS）の出力電流を供給します。EPC2065 GaN FETは、モータ制御アプリケーションで最大250kHz、DC/DCコンバータで最大500kHzのPWMスイッチング周波数に対応します。

また、EPC9173KITに搭載されたインバータボードにより、最大1.5kWの高電力も提供されます。このボードは、ハイサイドパワーFETを1個だけ内蔵した、2個のシングルEPC23101ENGRT GaNゲートドライバICのハーフブリッジ分岐を形成しています。このボードは、降圧、昇圧、ハーフブリッジ、フルブリッジ、LLCコンバータとして拡張可能です。最大50A_pk（35A_RMS）の出力電流を供給し、適切な冷却を行いながら最大250kHzのPWMスイッチング周波数で動作します。

ドライバ段を数分で立ち上げ

EPC9176 GaNインバータボードを符号化なしで評価する最も早い方法は、EPC9147Aコントローラインターフェースボードを使用することです。プラグインモジュール（PIM）であるMA330031-2には、Microchip TechnologyのdsPIC33EP256MC506-I-PT 16ビットDSPが搭載されています（図5）。

図5：EPC9147Aユニバーサルコントローラインターフェースカードには、16ビットdsPIC33EP256 DSPをベースとするMA330031-2 PIMなど、各種プラグインモジュールを搭載することができます。（画像提供：EPC/Microchip Technology）

DSPコントローラインターフェースの操作を容易にするために、motorBench開発スイートを使用できます。これには、以下を追加する必要があります。

MPLAB X IDE_V5.45および推奨更新プログラム
Code Configurator Plugin （DSP専用コンパイラ）
motorBench plugin 2.35（モータサンプル）

ここでは、EPC9146 GaNモータインバータボード使用した例で説明するため、

「sample-mb-33ep256mc506-mclv2.X」という名前のEPC914xKIT用MCLV-2またはEPCプロジェクトで始めます。

ユーザーは、EPC9146 GaNモータインバータボード用のサンプルhexファイルを選択し、Microchip Technologyの16ビットマイクロコントローラ用PG164100などのプログラミングアダプタを使用して、DSPのdsPIC33EP256MC506にフラッシュすることができます。次に、接続されたBLDCモータ（Teknic_M-3411P-LN-08D）は、制御装置から手動で制御でき、センサレスFOCモードで動作します。

モータが満足に動作していない場合や、異なる動作状態に設定する必要がある場合、motorBenchは設定可能なサンプルファイルも提供します。これは、フラッシングの前にコンパイルする必要があります。前述したように、GaNモータドライバの初歩的かつ重要なパラメータは、50ns以下のデッドタイムであり、hexファイルをコンパイルする前に必ず確認する必要があります。

BLDCモータのカスタムパラメータ

motorBench IDEを使用してセンサレスFOC動作のためのカスタムBLDCモータ構成を設定するために、ユーザーは特定のモータパラメータを測定し、関連する値を構成ファイルに入力することができます。たとえば、ISL Products InternationalのMOT-I-81542-Aモータは、ここでテストモータとしての役割を果たします。消費電力は約361Wで、24V、6100回転/分（rpm）で動作します。

まず、以下4つのモータパラメータを決定する必要があります。

オーミック抵抗：マルチメータを使用してステータコイル端子間を測定します。
インダクタンス：マルチメータを使用してステータコイル端子間を測定します。
極ペア：極ペアを決定するには、2つの位相を短絡し、3番目の位相を開放したまま、シャフトを手で1回転したときのラッチの数を数え、その結果を2で割る必要があります。
逆起電力（BEMF）：BEMFは、オシロスコープを使用してステータコイル端子間を測定します。このために、以下を実行する必要があります。
- プローブを2つの位相リードにクランプし、3番目のリードを開放したままにします。
- モータシャフトを手で回転させ、電圧応答を記録します。
- 最大正弦半波のピーク-ピーク電圧A_ppと期間T_halfを測定します（図6）。

図6：BEMFは、最大正弦半波のピーク-ピーク電圧A_ppと期間T_halfを測定することで決定されます。（画像提供：EPC）

上記のプロジェクト例を参照し、Microchip Technologyは、Teknic M-3411P-LN-08Dモータ（8.4A_RMS、8極、トルク＝1Nm、定格電力244W）に対して以下のパラメータを決定しました。

A_pp = 15.836V_pp
T_half = 13.92ms
極ペア：pp＝4
次に、式1を使用して、BEMF定数（1000rpm＝1k_rpmの場合）を算出しました。

式1

このサンプルモータの場合

（motorBenchでは10.2という値が使用されました）

R_L-L = 800mΩの線間抵抗から、LCRメータリードによる100mΩを差し引いたものです。
932μHを測定したにもかかわらず、この例ではL_d = L_q = 1mHが使用されています。

決定したパラメータを、motorBenchのサブメニュー「Configure/PMSM Motor」に入力します。設計者は、類似のモータタイプのXML構成ファイルを使用してこれを行うことができます。あるいは、新たに作成した（空の）構成ファイルにパラメータを入力し、「Import Motor」ボタンでインポートすることも可能です。