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容易に動作可能な産業用モータ制御システムソリューション

著者:  Ali Husain  - 11-11-2020 

モータは、環境制御、電化製品、商業用冷蔵庫から、自動車、工場、基本的なインフラストラクチャまで、現代の生活のいたるところに存在しています。国際エネルギー機関によると、電気モータは世界の総電力消費量の45%を占めており、そのためモータ駆動電子機器の信頼性と効率は、世界のあらゆる地域とさまざまなアプリケーションにおいて、快適性、利便性、環境に影響を与え与えています。

モータ駆動システムの効率化の1つの方法は、50/60HzのACライン電圧から駆動される単速度モータを可変速駆動に置き換えることです。これにより、モータの電子速度制御とドライブ効率の向上を実現します。可変速度制御は、調整のオン/オフによる調整方法とは対照的に、アプリケーションレベルで効率を提供することもできます。

 

高度なモータ駆動システムの心臓部はインバータ段で、入力された直流電流を取り込み、それを所望の速度でモータ駆動する周波数の交流電圧に変換します。インバータは図1に示すように3つのハーフブリッジで構成されています。インバータの各ハーフブリッジ相には、それぞれハイサイドとローサイドのスイッチがあり、アプリケーション要件に応じて、シリコンパワーMOSFETIGBTシリコンカーバイド(SiC)FET、またはGaN HEMTを使用できます。

図2: 3相インバータ

 

例えば、ポンプやファン、コンベヤモータ、ロボットアームを回転させるための要件は異なっており、産業用アプリケーションでは、異なるモータ技術を利用してそれぞれのケースに適応します。ACモータ、ブラシ付きまたはブラシレスDC、PMSM、スイッチドリラクタンスなどが例として挙げられます。

幅広い用途や技術にかかわらず、工場の環境を見ると、以下のようなドライブシステムが満たすべき重要な共通の要件が常に存在します。

  • 高効率と高信頼性
  • 堅牢性と統合
  • 耐久性と優れた熱性能

 

 

これらの要件をすべて満たす効率的で信頼性の高い電気モータドライブは、開発が複雑で時間がかかりますが、オン・セミコンダクターの新しい「モータ開発キット(Motor Development Kit、MDK)」を使用することで、容易に開発できます。この包括的なプロトタイプ作成プラットフォームは、ユニバーサルコントローラボード(UCB)が含まれています。これに幅広い選択肢をもつパワーボードに接続して、モータの動作を迅速に開始できるプラットフォームを作成し、ハードウェアを設計する前に、システムのテスト、評価、および最適化を迅速に行うことができます。

図4. GUI

 

UCBは、ザイリンクス社のパワフルな Zynq®-7000 FPGA/ARM SoCを搭載しており、ハイエンドの制御およびAIベースのアプリケーションに適しています。UCBは、ザイリンクスの開発ツールおよびライブラリと完全に互換性があり、TrenzElectronic社とのパートナーシップにより開発されています。

パワーボードには、オン・セミコンダクターの主要なパワーデバイスとモジュールが搭載されており、当社の幅広い製品群から必要となる他のすべてのコンポーネントやデバイスを選択することで、完全なモータドライバソリューションを開発できます。

最初に提供される2種類のパワーボードには、産業用および家電用のモータドライブ向けの当社のインテリジェントパワーモジュール(Intelligent Power Module、IPM)を搭載しています。IPMには、インバータ用の6つの電源スイッチとゲートドライバ、および熱電対が含まれており、過電圧/不足電圧ロックアウト、シュートスルー防止、過電流トリップなどの保護機能を備えています。

コンパクトIPMパワーボード(SECO-1KW-MCTRL-GEVK)は、主電源のAC入力からモータへのAC出力までの完全なソリューションを提供します。定格入力 230Vac で、EMCフィルタとブリッジ整流器、インターリーブされた 2 チャネル PFC、インバータステージとして NFAQ1060L36T IPM、その他には補助電源、測定、および保護の機能を搭載しています。

図5. 1KW ボード

 

より高い電力レベル向けとして、NFAM5065L4B650Vインテリジェントパワーモジュールを搭載した SECO-4KW-65SPM31-GEVB パワーボードを提供します。入力定格は 400VDCで、最大1kWの連続電力を供給でき、短時間の場合またはヒートシンクを追加することで最大4kWの電力を供給する能力を備えています。このサービス製品は、産業用ドライブおよび商用の冷凍・空調・暖房アプリケーションに最適です。

図6. 4KW ボード

 

さらに、当社のクラス最高のMOSFETポートフォリオを備えた一連のパワーボードを近日発売します。これらのモータ駆動ボードは、10Vから100Vまでの入力電圧をサポートし、最大1.2kWの電力により、電動工具、ロボットおよび自律型ロボット、ドローンなどのバッテリ駆動および低電圧から中電圧のアプリケーションに対応します。

図7. MOSFETボードの外観(予定)

また、より多くのパワーボードを開発しています。これらは、当社の拡張的なIPMポートフォリオや、より高電力モータ駆動アプリケーションをターゲットとした新しいモジュールを活用するものです。モジュラー設計により、さまざまなPFCソリューションを提供することができます。これにより、電力変換ステージを自由に組み合わせて、お客様の要件に最適化できます。

オン・セミコンダクターの新しいモータ開発キット(MDK)は、ユニバーサル・コントローラー・ボード(UCB)の共通制御プラットフォームを提供し、それに接続するパワーボードの種類をますます拡大して、包括的なモータ駆動ソリューションの迅速なテスト・評価を可能にします。

Compact IPMを搭載した 1kW600V パワーボードと、SPM31を搭載した 4kW650V パワーボードの2種類が、2020年第4四半期に利用可能になります。オン・セミコンダクターのTM PIMテクノロジーを用いた、最大10kWのモータを駆動するように設計された追加のモータパワーボードは、2021年第1四半期に販売予定です。今後さらなるパワーボードと拡張された設計サポートがMDKエコシステムに追加される計画です。

詳細については、当社の新しい「モータ開発キット」のページをご覧ください。

 

 

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Tags:Industrial, Motor Control, IGBT, MOSFET
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