GaNベースのモーター駆動におけるデッドタイムの最適化技術

GaNの話 – Andrea Gorgerino 4 08, 2024

を使ってモーター駆動設計のデッドタイムをなくす

電力変換の分野では、デッドタイムは、設計上必要ですが、やっかいであり、信頼性を確保するために技術者は許容しなければなりません。ただし、最近の技術の進歩、特に窒化ガリウム（GaN）FETの出現によって、現状が打破されています。このブログでは、モーター駆動の性能に対するデッドタイムの影響と、GaN FETがパワー・エレクトロニクス設計の状況をどのように再形成しているかについて詳しく説明します。

デッドタイムを理解する

デッドタイムとは、あるパワー・デバイスをオフし、別のパワー・デバイスがオンする間の遅延を指し、同時導通（貫通）と潜在的な短絡を防ぐために不可欠です。例えば、同期整流型バック（降圧型）・コンバータでは、 2つのデバイスが同時に導通すると、追加の損失、動作温度の上昇、さらには致命的な故障が発生する可能性があります。

コントローラによって挿入される制御デッドタイムによって、正の実効デッドタイムが保証されます。このデッドタイムの計算は、伝播遅延、ゲート抵抗値、FETのオン／オフ時間などの要素を考慮する複雑なプロセスです。 GaNデバイスは、シリコンMOSFETに比べて、ボディ・ダイオードの逆回復がなく、スイッチング時間が速いため、必要なデッドタイムが短く、高性能用途にとって魅力的な選択肢となります。

モーター駆動のデッドタイム

モーター駆動のデッドタイムは、効率に大きな影響を与える可能性がありますが、いくつかの微妙な理由によって、インバータとモーターがどのように相互作用するかを詳しく調べる必要があります。

デッドタイムの主な影響の1つは、ゼロ電流クロス時の歪みの増加です。これは、デッドタイム中はインバータのレッグのハイサイドとローサイドの両方のデバイスがオフになるため、モーターに印加される実際の電圧は、電流の正負の符号に依存するためです。ゼロ電流クロスすると、この電圧の符号が即座に変わり、電圧歪みが生じ、この結果、モーター電流波形に高次の高調波が発生します。これらの電流は、有効なトルクを発生しませんが、図1に示すように、モーターの巻線の損失が増加し、全体的な効率が低下します。

モーター駆動のデッドタイムを短くすることは、効率を向上させるために非常に重要です。デッドタイムを最小化することで歪みを低減し、電流波形を滑らかにし、損失を低減できます。これによって、図2に示すように、最終的にモーターの効率とシステム全体の性能が向上します。

図2：正弦波モーター駆動におけるデッドタイムの削減とPWM周波数を高くすることの複合効果。

窒化ガリウム・ベースのモーター駆動：ゲーム・チェンジャ

GaNベースのモーター駆動には通常、シリコン・ベースの部品を使う従来のモーター駆動に比べて、いくつかの利点があります。主な利点には、以下があります：

高効率高効率: GaN FETは、シリコンMOSFETと比べて、オン抵抗が低く、スイッチング速度が高速です。これによって、導通損失とスイッチング損失が減少し、モーター駆動の全体的な効率が向上します
より小さいサイズと重さ: GaN FETは、より高い周波数で動作できるため、コイルやコンデンサなどのより小さな受動部品の使用が可能になります。この部品のサイズと重さの削減によって、GaNベースのモーター駆動は、より小型で軽量になります
より高い電力密度: GaNベースのモーター駆動のサイズが小さいため、より高い電力密度が可能になり、より小さな実装面積でより多くの電力を供給できることになります。これは、スペースが限られている用途で特に有益です
GaN FETのスイッチング速度の高速化によって、モーター駆動の応答時間が高速化され、システムの動的特性と応答性が向上します

GaNベースのモーター駆動の使用例

GaNベースのモーター駆動は、その利点によって、高効率、小型、高信頼性を必要とするさまざまなモーター駆動用途に最適です。特定の用途には以下があります：

イーモビリティ： GaNベースのモーター駆動は、電動自転車、電動キックボード、小型無人搬送車（AGV）の効率を向上させます。これは、これらの電気自動車の走行距離を延ばすために重要です。より高い周波数能力によって、より小型・軽量、より大きな電力密度のシステムの設計が可能になります
産業オートメーション： GaNベースのモーター駆動は、産業オートメーション用途におけるモーター制御システムの効率と信頼性を向上させることができます。GaN FETの応答時間が高速化すると、自動化プロセスの精度と速度が向上します
ロボット／コボット（協働ロボット）： GaN FETは、従来のシリコン・ベースの駆動と比べて、効率が高く、応答時間が短く、小型です。これらの利点によって、ロボット・システムの全体的な性能、エネルギー効率、小型化が向上します
ドローン： 高効率、高速応答時間、小型という同様の利点によって、GaN FETは、ドローン用途にとって理想的な選択肢となります。これらの利点によって、ドローンの飛行時間が長くなり、操縦性が向上し、積載量が増加します
医療機器： GaNベースのモーター駆動は、手術ロボットや医療画像機器などの医療機器で使われ、性能と信頼性を向上させることができます。GaN FETの応答時間の高速化によって、これらのデバイスの精度と正確さが向上し、より高い温度での動作が、医療環境での信頼性の高い性能を保証します

GaNの性能がモーター駆動のデッドタイムの最適化を可能に

GaNは主に、従来のシリコン・ベースの部品と比べて、優れた特性によって、モーター駆動用途のデッドタイムの最適化を可能にします

スイッチング速度: GaN FETは、シリコンMOSFETと比べて、スイッチング速度が高速です。これによって、GaN FETのオフ時間とオン時間が大幅に短くなるため、デッドタイムをより正確に制御できます。この高速スイッチングによって、デッドタイムをより厳密に制御できるようになります
ゲート容量の低減： GaN FETは、シリコンMOSFETと比べて、ゲート容量が小さくなっています。したがって、より素早くオン／オフを切り替えられるため、貫通電流（シュート・スルー）のリスクを伴うことなくデッドタイムを短くできることを意味します。これによって、モーター駆動用途における高効率な動作とデッドタイムの最適化が可能になります
逆回復電荷ゼロ： GaN FETには、シリコンMOSFETのようなボディ・ダイオードがないため、シリコン・デバイスに伴う逆回復電荷がありません。これによって、ボディ・ダイオードの回復時間を考慮する必要がなくなるため、モーター駆動用途で必要な実効デッドタイムが短くなります

効率のロックを解除：GaN FETを使って、より高効率で小型なモーター駆動設計を実現

デッドタイムは、パワー・エレクトロニクス設計において長い間、必要な妥協点でした。しかし、GaN FETの出現によって、この妥協は過去のものになりつつあります。GaN FETは、デッドタイムの短くできるので、モーター駆動用途の損失を削減し、制御を改善し、効率を高められます。GaN FETは、デッドタイムを完全に排除するわけではありませんが、その影響を軽減し、パワー・エレクトロニクス設計の新たな可能性を解き放つという点で大きな前進となります。

あなたのモーター駆動設計に革命を起こしたい場合は、次のステップに進み、GaN技術の可能性を探ってください。サポートが必要な場合は、当社の GaNのエキスパートにお問い合わせください。