多相バイアスソリューション用GMR10Dxモジュールによる産業用モータ制御でのパワーコントローラの最適化

この記事では、信頼性が高く安全な多相パワーコントローラを開発する上での設計上の課題と重要な検討事項を取り上げます。ここでは、フローティング出力を備えた絶縁型DC/DCコンバータモジュールGMR10Dxと、Ganmar Technologiesの高集積デュアルワイドバンドギャップスイッチゲート駆動パワーモジュールとの組み合わせを活用しています。これらのモジュールの設計と構造は、信頼性、安全性、電磁干渉（EMI）、熱管理のシステム要件を満たすように最適化されています。

システムの例として、力率補正（PFC）ステージに電力を供給する3相交流入力と、それに続く産業グレードモータなどのパルス幅変調（PWM）制御された重負荷を紹介します。この設計は、特にInfineon（旧GaN Systems）の高電圧GaN（窒化ガリウム）スイッチの駆動に重点を置いており、実用的な回路ソリューションを提供します。ハーフブリッジ（HB）トーテムポールスイッチを駆動する従来の方法の限界に対処し、上下両方のスイッチを制御するための代替ソリューションを探ります。必要なスペースを最小限に抑えながら、信頼性の高い安全な動作を保証する実用的な回路設計が紹介されています。また、設計プロセスをさらに簡素化するために、低損失、高帯域幅の電流センシングを取り上げます。

今日の設計環境は、ハードウェアの小型化、効率的な冷却による消費電力の削減、最適化された熱管理による信頼性の向上、コスト効率の高いソリューションの必要性など、多くの課題を抱えています。これらは、厳しい予算と短い開発スケジュールによってさらに複雑になっています。こうした課題に対処するため、この記事では、設計チームがサブシステムプロバイダの専門知識とコンプライアンスを活用するのに役立つ標準サブシステムとビルディングブロックを紹介します。

Ganmar Technologiesのパワーコンバータとインターフェースモジュールを活用することで、この記事ではこうした設計上の課題に対する最適なソリューションを提案します。提供されるモジュールは、多相ゲートドライブシステムの効率的な開発を可能にし、標準化されたフォームファクタはメインボード上の貴重な領域を節約します。

GMR10Dxを用いた一般的な3相高電圧・高出力システムのバイアスパワーコントローラの設計

このセクションでは、GMR10Dx DC/DCコンバータモジュールと、GMR04B00xモジュールによるフローティングゲート駆動バイアスを使用して、高電圧・高出力システムでバイアスパワーコントローラを作成する際の設計上の留意点を概説します。図1aに示すように、システムには産業用モータのようなPWM制御の重負荷が含まれ、複数のスイッチを内蔵し、異なる機能ブロックに複数のバイアス電圧を必要とする場合があります。以下は、設計の主な前提条件です。

• EMIへの配慮：このシステムは、1に近い力率を必要とするため、PFCを使用する必要があります。
• スタートアップロジック：PFCにはプロセッサが搭載されており、バイアスコンバータ用に独立したスタートアップロジックが必要です。
• 消費電力：コントローラエレクトロニクスの消費電力を低減することは、信頼性を高め、冷却システムの要件を簡素化するために非常に重要です。
• すぐに入手可能な製品の使用：入手しやすい部品を最大限に利用した設計です。

図1aは、この後の設計に関する考察において視覚的に参照できるよう、全体的なシステム構成を示したものです。

図1a：産業用高負荷制御システムのバイアスおよびスタートアップ（画像提供：Ganmar Technologies）

図1aのブロック図を参照しながら、このセクションでは、バイアスパワーコントローラの設計とシステム全体との統合に焦点を当てます。PFCとPWMコントローラを除いた各機能の設計オプションが検討されますが、理由は、これらの機能に徹底的に対処するためには、システムインターフェース要件に関するより具体的な情報が必要なためです。したがって、ここではそれらのコンポーネントの詳細については触れません。システムは、InfineonのGS66516Tのような高電圧GaNスイッチを採用することを想定していますが、SiCやバイポーラスイッチのような代替スイッチ技術についての考察も行います。

さらにこの記事では、Ganmar Technologiesの高集積電源内蔵式フローティングゲートドライバモジュール、特にGMR04B00xを紹介します。型番の「x」は、利用可能なさまざまなデュアルゲートドライバチップオプションを示しています。詳細な仕様とオプションについては、GMR04B00xのデータシートを参照してください。

バイアスパワーコントローラ

バイアスパワーコントローラは、低いAC入力値に対するブラウンアウト保護（UVLO）を提供し、AC入力が最大設定限界値を超えた場合のアンラッチシャットダウン（OVLO）を提供するように設計されています。AC入力が安全な動作値の範囲内にある場合、GRM10Dxモジュールは共通電圧（通常6Vと22V）で絶縁DC出力を生成します。より大規模なシステムでは、追加の電圧形態が必要になるかもしれません。図1bは、これらの電圧を得るための標準的な構成を示しています。低電力5V出力は、GMR04B00xモジュールのデュアルゲートドライバチップ、具体的にはAnalog DevicesのADUM7223に電力を供給するために使用されます。他の使用可能なオプションについては、GMR04B00xのデータシートを参照してください。

図1b：GMR10Dxから派生した標準的なグルー回路形態（画像提供：Ganmar Technologies）

GMR04B00xモジュールは、2つの12Vバイアスを供給するために、フローティング側に内部電源を供給します。ハイサイド12V（12VH）は、HBUノードに対して+5.6V/-5.6Vのゲート駆動レベルで、上側パワースイッチ用VIA出力ドライバにバイアスをかけます。V相回路とW相回路の周囲にも同様の分割駆動構成が適用されます。

下側スイッチでは、GMR04B00xモジュールによって内部的に別の12VLが生成され、これはどの極性のローサイド電源でのリターンノードでも参照できます。たとえば、ADUM7223のVIB出力はスプリッタネットワークによって+5.6V/-5.6Vに分割され、下側のGaNスイッチが正しく動作するようにします。

SiCスイッチの場合、GMR04B00xモジュールの異なるバージョンは、15V、18V、または22Vを提供し、さまざまな高出力SiCスイッチに合わせて工場で設定できます。分割回路の出力は、HBU/V/Wの上側ノードに対してハイサイドとローサイドの両方でSiC（シリコンカーバイド）スイッチを駆動するための±フローティングバイアスを提供し、どの極性の下側ノードでも同様に駆動します。使用可能なオプションについては、GMR04B00xのデータシートを参照してください。

バイアスパワーコントローラセクションは、図1bのLDOとともに、VとWノードのゲートに直接接続された他の2つのGRM04B00xインターフェースモジュールに電力を供給します。さらに、22V出力は、LDOを介してユーザーのボード上のアナログコントローラ、デジタルセクション、I/Oチップに電力を供給できます。より高い電力が必要な場合は、アプリケーションノートでGMR10Dxモジュールの並列化に関するガイダンスを参照してください。

スタートアップの問題

デジタルプロセッサが動作可能になる前に、安定した電源を供給することは極めて重要です。このため、PFCとは独立した電源からバイアスコントローラを動作させる必要があります。Ganmarのパワーコンバータ回路は、AC電源から最大18Wを消費し、AC入力の位相関係への影響を最小限に抑えます。GMR10Dxモジュールは、100V_DC～320V_DCの入力電圧範囲をサポートし、オフラインアプリケーションの標準的な範囲をカバーします。

整流器が最大380Vを発生するような高電力アプリケーションでよく遭遇する、より高い電源電圧について、またGMR10Dx シリーズ内の他のオプションについては、Ganmarのテクニカルサポートにご相談ください。

図2は、本モジュールを用いたシステムスタートアップに適した標準的な6ダイオードブリッジ整流器を示しています。AC入力が約42V_RMS（60Hzまたは400Hz）を超え、ブリッジから小さな10µFコンデンサで200V_DC出力が得られると、モジュールは低負荷条件下で最大70msの遅延で出力を生成し始めます。スタートアップ中に他のシステムブロックが電力を消費することがないため、この遅延は許容範囲内です。

過渡イベントの間、AC入力によって6ダイオードブリッジ整流器出力がコンバータモジュールの安全動作範囲を超える場合、整流された電圧が安全レベルに戻るまでモジュールはシャットダウンします。さらに、整流電圧が100Vを下回ると、不足電圧ブラウンアウト保護機能が作動します。

図2：スタートアップとバイアス用にAC入力から最大18Wを直接引き出します。（画像提供：Ganmar Technologies）

入力フィルタリング

GRM10Dxのようなパワースイッチングモジュールは、入力電源に対して「負」のインピーダンス特性を示します。この特性は、インターフェースでの安定性を確保するために慎重なフィルタ設計を必要とします。入力フィルタの詳細な設計については、さまざまなレポートや出版物で広く取り上げられていますが、この記事ではGRM10Dxモジュールの入力特性の概要を説明します。

GaN駆動による標準的な15W定電力負荷の場合、整流器電圧200V、効率0.85で、等価インピーダンスは|200²/(15 x η)|として計算され、その結果は約3.14kΩとなります。このインピーダンスは、電源インピーダンスに比べて相対的に高いため、必要なフィルタが効果的にバイパスしやすくなります。ただし、GRM10Dxモジュールの近くに10µF/400Vのダンピングコンデンサを取り付けることをおすすめします。モジュール自体には0.47µFのコンデンサが内蔵されており、内部スイッチングイベントによる瞬間的な電流ピークに対応します。外部コンデンサの等価直列抵抗（ESR）定格は、メインPFCフィルタが十分なダンピングを提供する限り、重要ではありません。

また、Ganmar Technologiesは、GRM10Dxモジュールと簡単に統合できるように、ヒューズとEMIフィルタが付属したレガシーAC入力ブリッジ整流器モジュールも提供しています。これにより、AC電源への接続プロセスが簡素化されます。このモジュールの統合に関する詳細については、Ganmarのテクニカルサポートにご相談ください。

ドライババイアス

図3：3相接続（画像提供：Ganmar Technologies）

図4：GMR10D000モジュール（画像提供：Ganmar Technologies）

図3と図4は、デュアル出力で15Wを供給できる絶縁型DC/DCコンバータ、GMR10D000モジュールの回路図と写真です。V_OUT1は通常3Wで6.5Vを供給し、V_OUT2は12Wで22Vを供給します。どちらの出力も10ms以内に定常状態に達します。このセクションでは、図1に示す機能をGMR10Dxデバイスに接続し、必要な機能と性能を実現する方法を説明します。

図5：モジュール駆動側機能回路図（GMR10D005で示す）（画像提供：Ganmar Technologies）

図5は、複数のGMR10Dxモジュールがバイアスパワーコントローラの機能を果たすためのモジュール相互接続を示しています。このセクションでは、HS-Uブロックとの関連でGMR04B008の適用について詳細に説明します。他の2つのモジュールは、それぞれのノードに対応するリファレンスリターンを接続することで、簡単に複製できます。

図6：GMR04B00xの内部回路図（フローティングゲート電源とダイレクトドライブ）。（画像提供：Ganmar Technologies）

図6は、一般的に参照される「グランド」GNDSノードに対する22V電源の可用性を示しています。

パワー段インターフェースの要件

図6に示すように、GaNシステムでは一般的に、特に電流が30Aを超えるハードスイッチングトポロジでは、負のバイアス電圧を印加してGaNパワーデバイスをオフにすることが推奨されます。図7は、このアプローチを示す図解プロット（Infineonウェビナー提供）です。

図7：ターンオフダイナミクスに対するV_EEの影響（画像提供：Infineon）

実装とターンオン/ターンオフ特性 - Infineonのデバイス用のスプリッタを実装したモジュールは、オフ遷移損失を最小限に抑えながら、効率的なターンオン/ターンオフ電圧を保証します。分割駆動波形とInfineonのGS66xx設計は、GS66xxのターンオフプロセス中のリンギングピークを低減する独自のトランス設計とともに、効率の向上に貢献しています。

ターンオン/ターンオフ

完全なターンオンには、高感度スイッチングノードとトレース間の寄生インダクタンスと容量性カップリングを最小限に抑えた5.6Vゲート駆動が必要です。回路の適切な配置とルーティングについては、GaNベンダーのガイドラインを遵守することが不可欠です。

ターンオフ時、ゲート-ソース間電圧（V_GS）は、閾値電圧（V_TH）よりも大幅に低くする必要があり、ここで説明する回路では、約0Vを基準レベルとしています。この記事は、Analog DevicesのADUM7223ゲートドライバICの使用を前提としています。このドライバの出力での不足電圧ロックアウト（UVLO）は5Vであり、GaNデバイスに要求される5.6Vゲート駆動に適していることに注目することは重要です。このGaNのドライバによる消費電力は、ドライバのデータシートを用いて計算できます。

250kHzのスイッチングと以下の値を仮定すると、P_Dを計算できます。

このドライバ構成では、消費電力は100mWとなり、GMR10DxとGMR04B00xモジュールの能力の範囲内です。GMR10Dxモジュールは、ドライバに必要な電力を大幅に上回る電力を供給でき、その動作に対する堅牢な電源供給を保証します。

ドライバ用HV GaNセットアップ

GMR10Dxモジュールは、ハーフブリッジ（HB）構成の上下両方のGaNドライバに必要なバイアス電圧を供給します。図8は、スプリッタからのGaNドライバの接続を示しています。

バイアスリターンを適切に参照することは、不安定なスイッチング動作やGaNデバイスへの潜在的な損傷を防ぐために極めて重要です。ユーザーは、正しく安全な操作を確実にするために、特定のGaNデータシートとアプリケーションノートに記載されているガイドラインと推奨事項を遵守する必要があります。その他のガイダンスは、GMR04Bxデュアルダイレクトドライバ内蔵モジュールのデータシートのアプリケーション概要に記載されています。

図8：トーテムポール配置と、GaNスイッチへの分割駆動直接接続による古典的なハーフブリッジ構成（画像提供：Ganmar Technologies）

GMR04B00xモジュールは、上部GaNスイッチゲートドライバに必要なフローティングバイアス電圧を供給するため、必要なバイアス電圧を生成するためのフライングブートストラップコンデンサなどの追加回路が不要です。

GMR04B00xモジュールでは、フローティングゲート駆動電圧を上下両方のGaNスイッチのゲートに直接接続でき、安定した±5.6Vゲート駆動が可能です。このアプローチでは、上側ゲートドライバ用のバイアスを生成するために、コントローラが下側デバイスをスイッチングする必要がなくなるため、設計が簡素化されます。

GMR04B00xモジュールを使用することで、他のバイアス方式で必要とされる複雑さや追加部品なしに、上下両方のGaNスイッチで所望のゲート駆動電圧を達成できます。

図9に示すような従来のブートストラップ方式には、ダイオードや無極性コンデンサのような追加部品が必要で、その値はGaNや他のデバイスの特定の要件に基づいて調整する必要があるかもしれないなど、いくつかの欠点があります。スタートアップの問題と、安定的なバイアスの欠如は、このアプローチの重大な懸念です。さらに、従来のブートストラップ方式はバイポーラHBノードと互換性がありません。

図9：従来のフローティングゲートドライババイアス方式（画像提供：Ganmar Technologies）

対照的に、GMR10DxとGMR04B00xモジュールの小型のレイアウトは、関連する拡張機能とともに、省スペースという利点を際立たせています。このため、効率的なバイアスと適切なリファレンスを必要とするアプリケーションにとって実用的なソリューションとなります。

電流センシング

図10と図11は、GMR10DxモジュールとGMR04B00xモジュールによるシャント抵抗を使用した電流センシングの統合を示しています。シャント抵抗器は、回路を流れる電流の測定や監視によく使われます。これらの抵抗を電流経路に戦略的に配置することで、抵抗にかかる電圧降下を測定し、電流の計算に使用できます。

GMRモジュールの場合、電流センスシャント抵抗は、負荷または高帯域幅絶縁電流センスモジュールと直列に接続されます。このセットアップにより、正確な電流センシングと監視が保証されます。GMRモジュールは、電流センシングシステムをサポートするために必要なフローティングまたはグランド基準バイアス電圧と電力を提供し、信頼性の高い正確な測定を保証します。

電流センシングをシステム設計に組み込むことで、ユーザーは電流レベルに関する貴重な情報を収集し、回路やシステムの性能を監視できます。これは、モータ制御、パワーエレクトロニクス、再生可能エネルギーシステムなど、精密な電流制御や保護を必要とするアプリケーションで特に有効です。

図10：従来のシャント抵抗による電流センシング（画像提供：Ganmar Technologies）

図11：GMRCS000による非散逸的電流センシング（画像提供：Ganmar Technologies）

Ganmar Technologiesは、小型の絶縁型非散逸電流センサソリューションとして、GMRCSN000とGMRCSP000モジュールを提供しています。これらのモジュールは、電流経路にシャント抵抗を追加することなく、高帯域幅の絶縁電流センシングを提供します。これにより、電力損失がなくなり、設計が簡素化されます。

GMRCSN000とGMRCSP000モジュールは、回路を流れる電流を検出し、2つの出力極性を提供します（0～+Vsenseと-Vsense～0）。これらの出力範囲は、組み込みコントローラのADC（A/Dコンバータ）との直接インターフェース接続や、ブリッジレスPFCアプリケーションで使用されるアナログコントローラに適しています。

GMRCSN000またはGMRCSP000モジュールを使用することにより、電流センシングの実装が簡素化され、貴重なボードスペースを節約し、正確で絶縁された電流測定を確実にします。これらのモジュールと該当する品番の詳細と統合のガイダンスについては、Ganmar Technologiesのテクニカルサポートにお問い合わせください。

まとめ

この記事では、GMR10DxとGMR04B00xモジュールと高電圧、高出力のGaNスイッチを組み合わせたシステムのスタートアップとバイアスに関する包括的な設計アプローチについて説明しました。焦点はInfineonのGaNスイッチで、これは3相モータ、3相インバータ、レベル3 EV充電器などのアプリケーションで一般的に使用されています。

この設計は、信頼性の向上、小型化、効率化など、従来のアプローチに優るいくつかの利点を提供します。GMR10DxモジュールとGMR04B00xモジュールは、これらのスイッチのゲートに直接接続することで、システムのスタートアップとバイアスのための多用途で堅牢なソリューションを提供します。

さらに、この記事ではGMRCSN000とGMRCSP000モジュールを紹介しました。これらは、柔軟な出力機能を備えた小型の非散逸的電流センシングソリューションを提供します。これらのモジュールは、電流センシングの実装を簡素化し、正確で絶縁された電流センシングを提供します。

この記事で紹介した設計アプローチとソリューションを活用することで、設計者はGaNスイッチを利用したシステムの性能と信頼性を大幅に向上させることができます。さらに、Ganmar Technologiesが提供する専門知識とサポートも役立てることができます。