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絶縁型コンパレータを使用して電動モーター ドライブの故障を検出
Krunal Maniar
Product marketing engineer
Texas Instrumentsなど) を受信し、パワー スイッチング トランジスタや他のハイはじめにサイド電源回路を制御するためのパルス幅変調信号を生成し電動モーター ドライブは、可変周波数の出力を電動モーターます。このようなシステムは、高電圧回路を低電圧回路からに提供する電気システムで、暖房と空調、換気、ポンプ、コン絶縁するために、回復力が高く信頼性の高いガルバニック絶プレッサ、エレベータなどの産業用ロード、またコンベヤ ベル

縁を必要とします。絶縁アーキテクチャにより、モーター ドライ

ト、鉱業、製紙機器などのファクトリ オートメーション ロードもブ システムの信頼性の高い動作が可能になり、高電圧回路該当します。と低電圧回路の間のグランド ・ループを切断することで高価産業環境で使用される電動モーター ドライブは、高温や高湿な回路の損傷を防止し、高電圧から人間のオペレータを保護度、AC 電源ラインの変動、機械的過負荷などの条件にさらさすることができます。

れます。ユーザーは、効率の向上と信頼性の向上を求めています。IGBT (絶縁型ゲート バイポーラ トランジスタ) などのパワー半導体デバイスのスイッチング速度は継続的に向上しており、スイッチング速度を高速化する SiC (シリコン カーバイド) や GaN (窒化ガリウム) などのワイド バンドギャップ技術がますます採用されています。スイッチング速度の高速化とシステムの信頼性向上のニーズが高まっている現状で、最新のモーター ドライブ システムは産業用機器のダウンタイムを最小化するために、複数の障害イベントを検出して対処する必要があります。

図 1. AC 入力電動モーター ドライブのブロック図

この記事では、さまざまな障害イベントの優先レベルと影響、電動モーター ドライブの障害イベントについておよびそれらを検出してモーター ドライブ回路の損傷を防止
電動モーター ドライブは、いくつかの電気的障害イベントの影する方法を解説します。

響を受けやすくなっています。図 2 に示すように、隣接するパ電動モーター ドライブの概要

ワー スイッチング トランジスタ 1 と 2 が誤って同時にオンに

図 1 に示すように、電動モーター ドライブ システムは AC 商なった場合に貫通電流障害が発生します。この障害は、電磁用電源から電力を取り込み、DC 電圧に整流し、複雑な帰還干渉、スイッチング トランジスタを制御するマイコンの誤動制御アルゴリズムによる負荷の要求に応じて DC を可変の振作、または単にスイッチング トランジスタの磨耗など、いくつ幅と周波数で AC に逆変換します。

かの理由で発生する可能性があります。この障害は DC リン
ク コンデンサを短絡させ、致命的な障害を引き起こし、過熱、モーター ドライブ システムには通常、「高電圧」ドメインと「低火災、さらには爆発に至る可能性があります。したがって、貫電圧」ドメインという 2 つの電圧ドメインがあります。マイコン

通電流障害を検出し、パワー スイッチング トランジスタを非またはデジタル信号プロセッサは、通常は低電圧ドメインに配置され、3 相 IGBT 電力段から帰還信号 (電圧、電流、温度絶縁型コンパレータを使用して電動モーター ドライブの故障を検出

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常に迅速にオフにするなどの是正措置を講じることが不可欠です。

図 4. 電動モーター ドライブでの相間短絡。

過電圧はいくつかの理由で発生します。遮断中のモーターから DC リンク レールへのバック インジェクション、AC 電源の

図 2. 電動モーター ドライブの貫通電流障害。

異常な回路負荷の不十分なレギュレーション、配線エラー、絶図 3 に示すように、モーター ケーブル、モーター ケース、また縁障害などです。過電圧は、電圧過大ストレスや過剰な電流はモーター巻線がグランドに短絡したときにグランド障害が発を引き起こす可能性があり、DC リンク コンデンサと IGBT の生します。このようなグランドへの短絡は、長時間にわたる温損傷、電気的絶縁の劣化、モーター ドライブ システムの損傷度または電圧のオーバーストレス条件によって生じる絶縁体または寿命の短縮を招く可能性があります。貫通電流、地の誘電体強度の低下が原因で発生する可能性があります。

絡、相間短絡を中断または低減し、過渡的な過電圧状態を防旧式のモーターやケーブルは、地絡事象の影響を受けやす止することにより、IGBT を流れる熱エネルギーを制限するこ

く、人間のオペレータが感電のリスクにさらされる可能性があとが非常に重要です。

ります。したがって、地絡が発生した場合、モーターの巻き戻電動モーター ドライブで信頼性の高い検出と保護を実現しや交換など、検出と是正措置が必要になります。

モーター ドライブ回路の損傷を防止するために、設計者は複数のレベルで信頼性の高い検出と保護を実現する必要があります。IGBT などのパワー スイッチング トランジスタは、耐用時間が比較的短く (10µs 未満)、過度の電流によって急速に過熱し、損傷を受ける可能性があります。
図 3. 電動モーター ドライブの地絡。

電流制限ヒューズとサーキット ブレーカは過電流保護に優れ

図 4 に示すように、固定子の 2 つの相の 2 つの巻線の間にていますが、応答時間が遅く、ユーザーの介入が必要です。

絶縁破壊が発生したときに、相間短絡障害が発生します。こ多くの場合、障害発生時に保護を行う最後の手段になりまれらの相間短絡は、温度または電圧のオーバーストレス条件す。

によって長時間にわたる絶縁体の誘電体強度の低下が原因

これらの障害条件を検出してモーター ドライブを迅速に保護で発生する可能性があります。この短絡が原因で、固定子のするために、モーター ドライブ内の重要な電気経路で電流と電流が大幅に増加し、出力段の IGBT が損傷する可能性が電圧を検出するソリューションがあります。測定された電流とあります。古いモーターとケーブルは、相間短絡の影響を受電圧は、パワー スイッチング トランジスタやサーキット ブレーけやすくなります。地絡と同様、相間障害が発生した場合、モカなどのハイサイド電源回路を制御するホスト マイコンによっーターの巻き戻しや交換など、検出と是正措置が必要になりて受信されます。過電流や過電圧フォルトを抑制するために、ます。

ホスト マイコンは電源をオフにするか、パワー トランジスタのスイッチング特性を変更するか、サーキット ブレーカをトリップします。

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図 5 に、短絡電流、過電流、低電流、過電圧、低電圧、過熱

2 相で測定した電流からローエンドからミッドエンドのモーターフォルト検出シナリオにおけるテキサス・インスツルメンツ (TI)

ドライブの 3 相電流を計算すると、コスト削減に役立ちます。の AMC23C14 低レイテンシ強化絶縁型コンパレータ ファミリ

電気的障害イベントを検出するために、3 相の電流を監視すを示します。これらのデバイスには、調整可能なコンパレータることをお勧めします。絶縁型アンプまたは絶縁型変調器をスレッショルド機能が組み込まれており、電源用のハイサイド使用して電流センサを 3 相に配置することもできますが、簡ロードロップアウト レギュレータが含まれており、8 ピンのスモ素化、コスト効率、ソリューション サイズを実現するために、強ール アウトライン IC パッケージでサブ 0.5µs の応答時間を化絶縁型ウィンドウ コンパレータ AMC23C12 を使用すること実現しています。

もできます。AMC23C12 は双方向の過電流検出機能を持ち、ウィンドウ コンパレータが内蔵されています。
図 6 の位置 1 に示すように、シャント抵抗によってAMC23C12 強化ウィンドウ コンパレータが検出する電圧降下が発生します。AMC23C12 にはオープン ドレイン出力OUT があり、過電流検出のため、入力電圧がリファレンス ピンの電圧について事前定義されたスレッショルド値を超えるとアクティブに Low にプルされます。図 7 に、過電流イベント出図 5. 電動モーター ドライブでの超高速故障検出。

力波形を示します。

次に、電動モーター ドライブで使用する AMC23C14 絶縁型過電流と短絡の両方を検出するには、AMC23C14 デュアルコンパレータ ファミリのいくつかの使用事例を確認します。

ウィンドウ コンパレータを使用できます。

使用事例 1：双方向の同相過電流検出

VREF

図 6 に、双方向の同相過電流検出に AMC23C12 を使用す
VINる方法を示します。

–VREF

OUT
LATCH
図 7. AMC23C12 ドライバの出力波形。

図 6. 双方向の同相過電流検出。

完全に動作する 3 相 AC モーター ドライブ システムでは、ブレーキまたは動作条件 (IA + IB + IC = 0) に関係なく、AC モーターに供給する 3 相電流の合計はゼロになる必要があります。

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使用事例 2：DC+ の過電流検出

使用事例 4：DC リンク (DC+ から DC –) の過電圧および低電圧の検出

図 8 の位置 2 に示すように、AMC23C11 は DC+ 過電流検モーター ドライブを適切に動作させるには、DC リンク電圧を出に適しています。

規定の範囲内にする必要があります。AMC23C14 は、過電圧および低電圧状態を検出するための優れた選択肢になります。
図 10 の位置 4 に示すように、分圧抵抗回路の下側抵抗によって電圧降下が発生し、AMC23C14 デュアル強化ウィンドウ コンパレータによって検出されます。

図 8. DC+ の過電流検出。

図 9 に、過電流イベント出力波形を示します。AMC23C12 と同様に、AMC23C11 はオープン ドレイン出力 OUT を備えており、入力電圧が基準ピンの電圧についてあらかじめ定義されたスレッショルド値を超えるとアクティブに Low にプルします。AMC23C11 は、ラッチがクリアされた後でのみ出力をクリアする LATCH 入力ピンを備えたラッチ モードもサポートしています。過電流と短絡の両方を検出する必要がある場合
は、AMC23C14 を使用して、過電流と短絡を検出する 2 つ図 10. DC リンクの過電圧および低電圧の検出。のスレッショルド レベルをそれぞれ設定できます。

AMC23C14 は 2 つのオープン ドレイン出力 OUT1 およびVREF

OUT2 (各ウィンドウ コンパレータに 1 つ) を備えています。
OUT1 は、低電圧検出のため、入力電圧がリファレンス ピン

VINの電圧について事前定義されたスレッショルド値を超えるとアOUT

クティブに Low にプルされます。OUT2 は、過電圧検出のたLATCH

め、入力電圧が内部の 300mV リファレンスによって定義されたスレッショルド値を超えるとアクティブに Low にプルされま

図 9. AMC23C11 出力波形。

す。図 11 に、過電圧および低電圧イベントに対する OUT1

使用事例 3：DC– 過電流または短絡の検出および OUT2 出力を示します。過電圧検出のみが必要な場

使用事例 2 で説明した詳細と同様に、AMC23C11 を使用し合は、AMC23C11 を使用できます。て DC – ラインの過電流を検出することもできます。過電流と短絡の両方を検出する必要がある場合は、AMC23C14 を使用して、過電流と短絡を検出する 2 つのスレッショルド レベルをそれぞれ設定できます。

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300 mV
VREF
VIN–VREF–300 mVPower
過熱イベントの出力波形を、図 13 に示します。ここで、入力電圧が 300mV の内部リファレンスによって定義されたスレッショルド値を超えると、OUT2 は High になります。
AMC23C14 のリファレンス ピンは、NTC をバイアスできる100μA の電流源に接続します。

OUT2OUT1
図 11. AMC23C14 の出力波形。

使用事例 5：IGBT モジュールの過熱検出
図 12 に示すように、長期的な過負荷状態を検出するために、通常は負の温度係数を持つサーミスタ (NTC) を IGBT モ

図 13. AMC23C14 出力波形。

ジュール内に配置します。これらの NTC 端子はメイン電源ボシステムの信頼性向上を求める需要が高まり、より高速なスードに接続されており、AMC23C14 を使用して過熱を検出でイッチング デバイスの採用が求められている現状で、低レイきます。

テンシの強化絶縁型コンパレータである AMC23C14 ファミリは、電動モーター ドライブで高精度かつ高速な検出を実現するうえで不可欠なニーズに対応します。

図 12. IGBT モジュールの過熱検出。

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