GaNの話

ロボットや UAV のシステムにおける小型電気モーターの普及によって、高度に集積化した高効率なモーター駆動用電子回路への需要が高まっています。人型ロボットの関節、ロボットの手、軽量ドローンの推進システムといった用途では、極めて限られた機械的スペースの中で高い電流密度を備えパワー・コンバータが求められています。

このビデオでは、人型ロボットの関節や、その他のスペースに制約のあるアクチュエータ向けに最適化したGaNベースの小型3相BLDCモーター駆動用インバータであるEPC91122の概要を紹介します。同じパッケージに複数のデバイスを組み込んだGaNモジュールEPC33110を中心に構築したこのインバータは、パワー段、ゲート・ドライバ、検出器、制御機能、通信機能を単一の円形基板の上に統合しています。スイスのSTマイクロエレクトロニクスのSTM32マイクロコントローラ、磁気エンコーダ、高精度の電流・電圧検出器、RS-485/JTAGインタフェースを搭載し、高度なロボット向けに高効率、高速な動的応答、耐久性を提供します。

人型ロボットは、人間の動きを模倣するように設計されており、幅広い用途で市場が大きく成長しています。モーター制御は、ロボットにおける重要な設計要素であり、この記事では、基本的なパワー・アーキテクチャと、中核部品を構成するパワー・エレクトロニクスの要件を概説すると共に、Efficient Power Conversion Corporation（EPC）が提供しているソリューションの例を紹介します。

窒化ガリウム（GaN）のパワー・デバイスの近年の進歩によって、その動作範囲は40 V以下の低電圧用途にも大きく広がっています。シリコンMOSFETは、その優れた導通性能、十分に理解された製造プロセス、実証済みの信頼性によって、これまで、この電圧範囲で支配的となっていました。

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。

従来、オーディオ・ファンは、D級オーディオ・アンプを見下してきました。スイッチング・トランジスタが、最も厳しいファンを満足させるために、十分な開ループ直線性を備えたアンプを構成するために最適化された性能を備えていなかったからです。窒化ガリウムのトランジスタと集積回路の急速な採用によって、設計者は、仕様によるマーケティングに必要なTHD＋N（全高調波歪率＋雑音）の性能目標を達成し、過渡相互変調歪みを低減して、最適なリスニング体験を目的とした音楽の温かみのある繊細さと音色を実現できるようになりました。

モビリティは、すべての経済において推進要因ですエレクトロモビリティ（またはイーモビリティ）は、地球にダメージを与える非効率的なモーターや化石燃料燃焼エンジンのように環境ストレスに影響することなく、商業用ギアを磨き続けるためのクリーンでインパクトのある方法です。高効率で小型なモーター駆動の設計に対する需要は、ますます高まっています。このトレンドをサポートする競争力のある環境に優しい代替案を迅速に開始するために、イーモビリティ用途向けのEPCのGaNベースのモーター駆動用リファレンス・デザイン

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。

手術用ロボットを使った最小限の侵襲的手術は、次のレベルの精度を実現しようとしている外科医に前例のない制御手段を提供し、それによって、患者へのリスクや外傷を減らし、回復を早めます。非常に繊細な作業を実行するために、手術用ロボットに必要な自由度（DOF：degrees of freedom）や器用さを与えるアーム、関節、ツール制御などのさまざまなロボットの付属品を制御するために多くのモーターが必要になります。モーター制御回路の重さや大きさは、手術中にロボットの付属品を操作するモーターの大きさに直接影響するため、このようなロボットの設計では重要な要素になります。