参考資料

3 相統合型 GaN テクノロジーによりモーター ドライブ性能を最大化する方法

Manu Balakrishnan
Systems engineer
Motor drivers

スイッチング損失に関して、GaN FET は MOSFET や IGBT

概要に比べて損失がはるかに小さくなります。これは、次の理由によります。
• GaN はゼロ逆回復を実現します。ゼロ逆回復により、非1GaN によりインバータ効率が高まる仕組み

2

GaN パワー スイッチによるモーター性能の向上

3モーター ドライブで GaN を使用する場合の設計に関する考慮事項

常に高い電流スルーレート (di/dt) と電圧スルーレート(dv/dt) で GaN FET のスイッチングを行うことができます。
MOSFET では、ボディ ダイオードでゼロ逆回復が大きくなるため、スイッチングの di/dt と dv/dt が制限され、損失が増大して位相ノード電圧リンギングが発生します。IGBT
では、最適化されたアンチパラレル ダイオードを追加しても、逆回復に関連する課題が依然として発生する可能性があります。

コンシューマ機器 / 家電、ビルディング エアコン (HVAC) シス• スイッチング オフ時、IGBT では少数キャリアの再結合電

テム、産業用ドライブのエネルギー消費を考慮し、季節エネル

流 (一般にテール電流と呼ばれる) が生じて、ターンオフ損

ギー効率比 (SEER)、最低エネルギー消費効率基準失が増加します。GaN ではテール電流は発生しません。

(MEPS)、Energy Star、トップランナーなどのプログラムを通じ• GaN は IGBT や MOSFET に比べて容量が小さいため、て、システム効率等級を確立する取り組みが進んでいます。

容量性のスイッチング損失が小さくなります。

可変周波数ドライブ (VFD) は、正確で非常に広範囲の速度• 制御された高速な di/dt および制御された dv/dt により、制御を備えている場合は特に、エアコン システムで最高のシスイッチング中の電圧と電流のオーバーラップ損失を最適ステム効率を実現します。VFD は、インバータを使用してモー化できます。

タ速度を制御し、高周波パルス幅変調 (PWM) スイッチングを

図 1 は、GaN、IGBT、MOSFET をそれぞれベースとするソリ行うことで、真の可変速度制御を実現します。

ューションの理論的なインバータ効率の比較を示しています。

これらのインバータは現在、絶縁型ゲート バイポーラ トランジ

スイッチング周波数は 20kHz で、GaN ベースのインバータのスタ (IGBT) と金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ

位相ノード電圧スルーレートは 5V/ns に制限されており、周(MOSFET) をパワー スイッチとして使用して実現されていま

囲温度は 55℃ です。GaN ソリューションでは電力損失を少すが、全体的な損失が大きいため、スイッチング周波数と電なくとも半分に低減できることがわかります。

力供給には制限があります。ただし、ワイド バンドギャップ技術の進歩に伴い、モーター ドライブで窒化ガリウム (GaN) ベースのパワー スイッチを採用すると、電力密度、電力供給、効率の向上に役立ちます。

GaN でインバータ効率が向上する仕組み
GaN FET に起因する導通損失は、MOSFET と同様に GaNのオン抵抗に比例します。一方、IGBT の場合、導通損失は
図 1. GaN、MOSFET、IGBT の各ソリューションの効率比較

ニー電圧と動的オン抵抗に依存し、一般に GaN FET やMOSFET よりも高くなります。

図 2 は、テキサス・インスツルメンツ (TI) の DRV7308 3 相
GaN インテリジェント パワー モジュール (IPM) と 5A ピーク

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2June 2024

電流定格の IGBT IPM の効率を比較したものです。スイッチード電圧のスルーレート制御が内蔵されています。DRV7308

ング周波数 20kHz の 300VDC 電源でファン モーターと 2m

は、3 相変調のフィールド オリエンテッド制御駆動の 250Wのケーブルを使用して、周囲温度 25℃ で、0.85A の二乗平モーター ドライブ アプリケーションで 99% を超える効率を実均平方根巻線電流と 250W のインバータ出力電力を供給し現可能であり、クワッド フラット ノーリード (QFN) 12mm xています。GaN IPM のスルーレートは 5V/ns に構成されて12mm のパッケージで供給され、ヒートシンクは不要です。

います。
GVDDRegulator

Protection

VAVDD

OUTA

GVDD

CBOOTA

Over temperature protection
CGVDD2 CGVDD1
I/O Control

CBOOTB

VBOOTxOver current protection
EN

OUTB

Boot Circuit

UVLO (GVDD & VBOOTx) protection

OUTC

Adaptive dead time

CBOOTCINHA
VM

HS Predriver StageINLA

VBOOTx
Regulator

OCP, OTP,
UVLO
CVM1

INHB

CVM2CVM3Current

INHC

HS PredriverLevelshier

INLB
InputControl

DigitalCore

Slew ratecontrol

INLC

OUTA

LS Predriver Stage
GVDD
Regulator

BRAKEOUTB

OCP, OTP,UVLO
OUTCCurrent

SR
LS Predriver

RSR

SLA

Slew rate
control

3.3V/5V
RHV_nFAULT

SLBOutput

SLC

Over Current Limit Comparators

HV_nFAULT

SLARS
VTEMP

SLB

Temperature sensor

Single shunt Opamp
VAVDD

3.3V/5V/GVDDSLCAMPOUT

R1
ILIMIT

図 2. 250W アプリケーションでの DRV7308 と IGBT IPM の効率比
較AMPIN+AMPIN-ILIMITR2AMPOUT

PGND

図 3. DRV7308 の機能ブロック図

GaN パワー スイッチによるモーター性能の向上
タンスのモーターでは、多くの場合、電流リップルを低減してモーター ドライブで GaN を使用する場合の設計に関する考慮事項

モーター性能を最適化するために、高い PWM 周波数が必

設計者は多くの場合、dv/dt がモーターの絶縁、ベアリングの要になります。最終製品の例としては、ヘア ドライヤ、空気ブ寿命、電磁干渉 (EMI)、信頼性にどのような影響を及ぼすかロワ、ポンプなどが挙げられます。

を考慮する必要があります。

モーター巻線の電流リップルが大きいと、望ましくないトルク

DRV7308 には、位相ノードで dv/dt を制御するプリドライバリップルが発生し、銅損とコア損失が増加して、スイッチングスルーレート制御回路が内蔵されています。スルーレート設時に検出される平均モーター電流の精度が低下する可能性

定を最小 5V/ns まで制御し、モーター巻線の絶縁とスイッチがあります。

ング損失の最適化との間のトレードオフとしてスルーレートをMOSFET ベースまたは IGBT ベースの IPM は、一般に構成することができます。DRV7308 の低いスルーレート設定

20kHz での使用を定格としています。ただし、スイッチング損は既存の IGBT で提供される範囲をカバーし、高いスルーレ失が大きいため、通常は低いスイッチング周波数 (6kHz～ートはスイッチング損失をはるかに低い値に維持するのに役16kHz) で使用されます。GaN では、低い dv/dt でもスイッチ立ちます。

ング損失がはるかに小さくなるため、はるかに高い周波数で

図 4 と 図 5 は、1A 負荷、300V、スルーレート設定 10V/ns、スイッチングを行い、モーターの効率と性能を向上させることモーター ケーブル 2m での DRV7308 の位相ノード スイッチができます。

ング電圧を示しています。寄生成分が低い GaN FET のゼロ

図 3 は DRV7308 の機能ブロック図を示しています。このデ逆回復とプリドライバのスルーレート制御により、クリーンな電バイスには、すべての GaN FET 用のプリドライバと、位相ノ圧スイッチング波形を実現できます。

高速用に設計された永久磁石同期モーターまたは低インダク

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3June 2024

高速度を設定して、システムの冷暖房を迅速化できます。設定温度になった後、エアコンの負荷の変化に応じて、より細かい低速および容量制御を行うことができます。このより細かい最適な負荷ポイント制御は、システム効率の向上に役立ちます。
デッドタイムと伝搬遅延が非常に短く、伝搬遅延の不整合も小さいため、フィールド オリエンテッド制御ドライブでは特に、正確な平均電流センシングが可能になり、制御の精度が向上します。図 6 に、伝搬遅延が平均電流センシングの精度に及ぼす影響を示します。PWM 中、PWM オン期間の途中で電図 4. 2m のケーブルとファン モーターを使用した場合の位相ノード
電圧の立ち上がりスルーレート

流をサンプリングすると、各 PWM サイクルの平均モーター電流が得られます。図 6 は、どのように伝搬遅延によって電流センシングが中間値から逸脱するかも示しています。電流センシングの誤差 (ΔI) は、伝搬遅延、印加電圧、PWM スイッチ
ング周波数、モーター インダクタンスに依存します。低インダクタンスのモーターでは、誤差は大きくなります。電流センシングの誤差は、センサレス制御ドライバのモーター位置センシング (推定機能) の精度にも影響を及ぼします。モーター位置の推定に誤差があると、モーターの効率が低下します。
DRV7308 は伝搬遅延と伝搬遅延の不整合が非常に小さいため、正確な平均電流センシングを実現して、モーターの効率を向上させることができます。

図 5. 2m のケーブルとファン モーターを使用した場合の位相ノード
電圧の立ち下がりスルーレート

Current sampling at
middle of PWM

システム効率への影響
エアコン システムや冷凍システムでは、多くの場合、コンプレINLxッサと暖房システムの効率を最大限に高めるために、非常に幅広い速度制御が必要になります。従来型の IPM では、デッΔI

ドタイムが 1µs を超え、伝搬遅延が 500ns を超えるため、PWM の最大と最小の動作デューティ サイクルが制限され、ID動作速度範囲が狭くなります。また、デッドタイムが長いと、モ

Actual midpoint of
current waveform

図 6. 伝搬遅延が電流センシングの精度に及ぼす影響ーターで利用可能な電圧が低下し、同じ電力供給に対するモーター電流の量も増加します。

可聴ノイズへの影響

DRV7308 は適応型デッドタイム機能を備えているため、最大モーター ドライブ システムにおける可聴ノイズの主な発生源

デッドタイムは 200ns 未満、伝搬遅延は 200ns 未満となりまの 1 つは、電流歪みに起因するトルク リップルです。モータ

す。これにより、設計者は PWM の動作デューティ サイクルーの場合、電流歪みは PWM 周波数、デッドタイム、電流セ範囲と速度範囲を拡張すると同時に、モーターに供給可能なンシングの精度など複数の要因に依存します。

電圧を増やすこともできます。たとえば、エアコン システムでDRV7308 はスイッチング損失を大幅に低減し、IGBT ベース超低速から高速まで制御できるため、設計者は起動時に最または MOSFET ベースのソリューションに比べて、より高い

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4June 2024

めの電流リップルとコンデンサに関する要件を減らすこと

PWM 周波数を実現できます。スイッチング周波数が高くなる
ほど、巻線電流リップルが小さくなるため、周波数の可聴範囲ができます。DRV7308 は、非常に小さな値から 60kHz まを超える小さいトルク リップルを実現できます。

での幅広いスイッチング周波数に対応しています。設計者
は、システム性能と EMI 要件に基づいて最適な周波数をIGBT ベースと MOSFET ベースのシステムでは、デッドタイ選択できます。

ムが 1µs～2μs またはそれ以上になるため、モーターの電流• dv/dtDRV7308 プリドライバは、位相ノード スイッチング歪みが大きくなります。デッドタイム歪みは 60 度の電気角ごのスルーレートを制御して、EMI 要件を満たすことができとに発生し、電流波形に 6 次高調波が生じますが、一般にこます。

れは可聴周波数範囲内になります。DRV7308 の適応型デッ• di/dt ゼロ逆回復と小さい寄生成分により、GaN は、スイドタイム ロジックでは、200ns 未満のデッドタイムを実現できッチング時に位相ノードで電圧のオーバーシュートや発振るため、電流歪みを最小限に抑えて可聴ノイズを低減できまを引き起こすことなく、優れたスイッチング性能を実現できす。

ます。図 4 と図 5 は、EMI の低減を可能にする図 7 は、DRV7308 を 0.2μs のデッドタイムで、IGBT IPM をDRV7308 のクリーンなスイッチングを示しています。

2.5μs のデッドタイムでテストした場合のモーター巻線電流の• スイッチング電流の小さいループ面積ローカル デカップリ

全高調波歪み (THD) を比較したものです。IGBT IPM に比べング コンデンサによって、スイッチング時にパルス電流をて、DRV7308 の歪みは非常に小さくなっています。電力供給供給します。DRV7308 は、DC 電圧デカップリング コンデ量が少ない IGBT IPM では、デューティ サイクルが低く、つまンサ (CVM) までのスイッチング電流のループ面積が非常りインバータの変調指数が低く、デッドタイムの影響が大きくに小さくなるように設計されています (図 8 を参照)。

なるため、この歪みは指数関数的に大きくなります。

図 8. 電流のループ面積が小さい、DRV7308 の一般的なレイアウト
リファレンス

図 7. デッドタイムによるモーター電流 THD の比較

伝導型と放射型の電磁波に関する考慮事項

ソリューション サイズへの影響

伝導型と放射型の電磁波は、スイッチング周波数、dv/dt、DRV7308 では、パッケージ サイズの小型化とヒートシンクのdi/dt、スイッチング電圧の発振と反射、スイッチング電流のル除去に加えて、モーター電流センシング用のオペアンプ、電ープ面積に依存します。

流制限用の 3 つのコンパレータ、温度センサ、各種の保護機

DRV7308 は、次のような複数の設計手法とプリント基板能など、高度な統合を図っています。このような統合により、(PCB) レイアウト オプションを採用して、EMI や電磁両立性

IGBT ベースまたは MOSFET ベースのソリューションに比べの問題に対処しています。てインバータ基板サイズを最大 55% 縮小できます。

• PWM スイッチング周波数スイッチング周波数が高いほサイズを縮小すると、インバータをモーターの近くに統合する

ど、EMI 周波数スペクトルへの影響も大きくなります。スイこともできます。これは、ファン、ブロワ、ポンプのような使用ッチング周波数を高くすると、伝導型電磁波に対処するた事例に役立ち、インバータ基板からモーターまでのケーブル

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5June 2024

を不要にすることができます。このケーブルを除去することで、ケーブル容量に起因するスイッチング損失もなくなり、長いケーブルに起因する伝導型と放射型の EMI も低減されます。

その他の資料• DRV7308 3 相 650V、5A、GaN インテリジェント パワーモジュール データシート• GaN IPM の製品ラインアップ

保護された堅牢なシステム設計• TI の GaN テクノロジーの詳細

GaN では、飽和を除去するために、より高速で信頼性の高い• スロットレス永久磁石モーターの鉄損や性能に対する過電流保護が必要になります。内蔵の保護機能は寄生成分の影響を排除し、数百ナノ秒単位の高速な応答を実現します。過負荷状態時の熱暴走を防止するために、インバータとPWM スイッチング周波数と変調指数の影響• AC 電動ドライブでのワイド バンドギャップ デバイス：機会と課題

モーターには過電流保護が必要です。
230VAC ライン電源のモーター ドライブは、AC ラインの電圧耐性により、またはアクティブ力率補正回路を使用して、最大450VDC の整流 DC バス電圧を供給できます。インバータは、450V の動作電圧を想定して設計する必要があります。
一部のモーター ドライブでは、モーターで生成された逆起電力が電源電圧を超えた場合や、誘導性キックバックが発生した場合に、より高い電圧を短時間処理する必要があります。
また、インバータでは、入力ライン電圧サージや電気的高速過渡イベントなどの過電圧シナリオが発生した場合に損傷を防ぐために、高いオフ状態ブロッキング電圧を処理する必要があります。
DRV7308 は、過電流イベント時に GaN FET を保護できるよ
うに、ドレイン - ソース間電圧保護機能を内蔵しています。また、サイクル バイ サイクル電流制限用の内蔵型過電流コンパレータを備えており、650V のオフ状態ブロッキング電圧定格で 450V の動作電圧に対応できるよう設計されています。
低電圧、過電流、ピン間の短絡などのフォルト シナリオについても、他の保護機能によって監視します。

まとめ
DRV7308 など、GaN ベースの IPM の進歩は、家電製品やHVAC システムのモーター ドライブにおける電力密度、電力供給、効率の向上を促進すると同時に、システム コストの削減や信頼性の向上にもつながります。

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