GaNの話シリコンを粉砕するために捧げたブログ
モーター駆動用GaNの力を活用する ―― サーボ駆動、ロボット、ドローン

モーター駆動用GaNの力を活用する ―― サーボ駆動、ロボット、ドローン

9 12, 2019

モーター技術の進歩によって、電力密度が高くなりました。モーターは、より小さな形状で実現され、より高速で高精度な設計になっているので、より高い周波数が必要になります。

3相ブラシレスDC(BLDC)モーターは、出力定格の割に小型なので、正確に制御でき、高い電気機械効率を提供し、適切に制御された場合、最小限の振動で動作できます。これらのモーターは、サーボ駆動、外科ロボットなどのロボット、回転翼を4基搭載したドローンなどの精密な用途で、ますます、または排他的に使われています。電流リップルを適切な範囲内に維持するために、これらのモーターは、低いインダクタンスを考慮すると、最大100 kHzのスイッチング周波数が必要です。損失を最小限に抑えた上で、振動を発生させ、駆動精度を低下させ、効率を低下させるモーターのトルク・リップルを相殺するには、高周波で高効率に動作できるFETが必須です。

窒化ガリウム(GaN)の高電子移動度トランジスタ(HEMT)は、シリコンMOSFETよりもはるかに高速にスイッチングでき、スイッチング損失を大幅に低減できます。GaNトランジスタのもう1つの利点は、逆回復電荷がないことです。従来のシリコンMOSFETの設計では、これによってスイッチ・ノードにリンギングが発生します(1)

LMG5200などのGaN FETパワー段デバイスは、80 VのGaNハーフブリッジ・パワー・モジュールです。このデバイスは、ドライバと2個の80 VのGaN FETを使って、ゲート・ループとパワー・ループを非常に低いインピーダンスに最適化し、面積6 mm×8 mmのQFNパッケージに統合しています(2)。この入力は、5 VのTTLロジックや3.3 VのCMOSロジックと互換性があり、伝播遅延のミスマッチは標準値で2 nsです。これによって、非常に短いデッドタイムが可能になり、損失が減少し、出力電流の歪みも減少します。LMG5200は、使いやすいパッケージで提供することによって、ディスクリートGaN FETの利点を強化します。このため、レイアウトが簡単で、最終製品への組み込みも容易です。

米テキサス・インスツルメンツは、モーター駆動用に、3個のハーフブリッジGaNパワー・モジュールLMG5200を使った48 V / 10 Aの高周波PWM(パルス幅変調)3相GaNインバータのリファレンス・デザインを提供しています。図1に、このリファレンス・デザインの回路ブロック図を示します。

図1:リファレンス・デザインの回路ブロック図

窒化ガリウム(GaN)・トランジスタは、シリコンFETよりも、はるかに高速にスイッチングできる上に、GaN FETとドライバを同じパッケージに統合しているため、寄生インダクタンスが低減され、スイッチング特性が最適化されているので損失が低減され、ヒートシンクを小型化、または完全に不要にできます。

このリファレンス・デザインの効率テストは、米テクトロニクスのパワー・アナライザ PA4000を使って、27℃の実験室温度で実施しました。リファレンス・デザインの基板は、直流48 Vで給電され、負荷として、米Teknicの低電圧サーボ・モーターを使っています。最大負荷電流7 ARMSでのリファレンス・デザイン基板の電力損失は、40 kHzのPWM(パルス幅変調)で4.95 W、100 kHzのPWMで5.65 Wでした。図2は、消費電力を出力電流の関数として示しています。

図2:48 Vでの電力損失と3相RMS出力電流の関係

Teknicのサーボ・モーター駆動時に、出力83 Wのこのリファレンス・デザインの効率は、40 kHzのPWMで94.3%、100 kHzのPWMで93.6%でした。48 Vバスの理論上の最大効率は、全出力の400 Wで達成されます。これによって、7 ARMSの相電流で相間電圧34 VRMS(空間ベクトルPWM)、100 kHzでインバータ効率98.5%が得られます(3)

BLDCモーターは、サイズと電力の比が小さいため、外科用ロボットやドローンなどのアプリケーションに最適です。GaN FETとICは、効率が高く、動作周波数が高いため、正弦波変調モーター駆動に最適なデバイスです。モーター制御回路にGaNデバイスを使うと、より高い精度を実現でき、モーターの駆動を小型化できます。この組み合わせによって、設計者は同等のMOSFETのソリューションよりも小型で精密なシステムを構成できます。 LMG5200などのGaNパワー段は、簡単にレイアウトでき、容易に最終製品に組み込めるので、使いやすいパッケージで提供されるディスクリートGaN FETの利点を引き出せます。