モータ制御アプリケーション用 FlexMOS™ プリドライバ

著者:  Nixon Mathew  - 02-17-2022 

大電流モータ制御アプリケーションにおいて、メカニカルリレーからソリッドステートスイッチに置き換わる中、FLEXMOS™ポートフォリオのインテリジェント・ゲートドライバは、外部MOSFETとのペアリングを可能にします。オンセミ(onsemi)のプリドライバ・ソリューションは、さまざまな負荷要件に対応するスケーラブルな設計の柔軟性を実現し、モータ1台から最大7台までのモータ駆動アプリケーションを拡張できるため、幅広い自動車ボディエレクトロニクス・アプリケーションに理想的です。

プリドライバICの主な機能は次のとおりです。

  1. マイクロコントローラ(uC)と外付けパワーMOSFET出力段とのインタフェース。プリドライバICは、マイクロコントローラの低電圧領域(通常5.5ボルト以下)と、車載バッテリ接続システムで見られる最大40ボルトの間を絶縁する。
  2. ハイサイドステージのゲートオーバードライブにより,NチャンネルMOSFETの使用を可能にする。
  3. 外付けMOSFETと接続負荷を監視・保護することにより,システムの堅牢性と診断能力を向上させる。
  4. スイッチングアプリケーションの電磁波放出と電力損失効率を最小化するために、ターンオンとオフのプロファイルに特定のAC特性を提供する。

モータの双方向回転が必要なアプリケーションでは、そのシンプルさから外付けMOSFETのHブリッジ構成-内蔵型Hブリッジ-が使用されます。一方、熱管理を重視し、より高い負荷電流が要求されるアプリケーションでは、プリドライバと外付けMOSFETのソリューションが使用されます。プリドライバの消費電力は、チャネル数が多いほど管理しやすくなるため、システム内の大電流モータの数が増えるほど、グローバルなシステム応答が劇的に改善されます。オンセミのNCV754xなどの単一のゲートドライバICは、すべてのハーフブリッジノードと接続された負荷を監視し、故障状態による不用意なモータの動きを防止することができます。

Hブリッジ構成では、図1に示すように、エンジニアがモータの電流の流れを制御することができます。電流の方向が、モータの回転方向を決定します。

 

 

 H-Bridge Motor Control

図1:Hブリッジ・モータ制御

 

モータに流れる電流の量は、モータの回転数や使用可能なトルクに直接関係します。モータに流れる電流が増えると、外部負荷の要求トルクが一定であれば、モータの回転数は上昇します。また、電流を増やせば、速度を一定に保ったまま重負荷に対応した高トルクに変換することができる。

オンセミのFLEXMOSプリドライバは、プログラマブル電流源とキャリブレーション技術を備えており、システム設計者は、ASSP(Application Specific Standard Product、特定用途向け標準製品)市場で提供されているNチャネルMOSFETの幅広いポートフォリオから製品を選択することが可能です。当社のMOSFET製品推奨ツールにより、適切なアプリケーションに適切なMOSFETを選択できます。

プリドライバトポロジは、自動車メーカの仕様、トリムレベル、モデルタイプによって変化するシステム要件に対応しているため、設計サイクルをより短縮できます。

 

NCV754x Application Diagram

図2:NCV754xアプリケーション図

 

設計サイクルの短縮は、システム設計者が残りのハードウェアコンポーネントを同じにしたまま、異なる負荷に対してMOSパワーステージをスケールアップすることで達成されます。ソフトウェアフロー全体を維持しながら、新しいMOSFETの制御を微調整するために、ソフトウェアのマイナーな変更が必要です。図3からわかるように、ソフトウェア開発におけるIPの再利用は、同じ製品ファミリーのプリドライバ・ソリューションを選択した場合に顕著になります。オンセミは、同じSPIレジスタ設定とプログラマビリティが共通な以下のゲート・ドライバ・デバイスを提供しています。

 

 

NCV754x Register Summary

図 3:NCV754x レジスタ概要

 

システム設計者は、OEM仕様で要求されるモータアクチュエータの数を実装するために、異なるチャネルの組み合わせによる複数のプリドライバオプションでコスト削減を最適化できます。プリドライバの柔軟性により、以下のような様々なエンド・アプリケーションでこのデバイスを使用できます。

  • シート・コントロール・モジュール
  • ドアロック、ラッチ
  • リフトゲートアクチュエーター
  • サンルーフ、ムーンルーフ用アクチュエータ
  • ウインドウリフター

ハーフブリッジ・ドライバ・ブロックは、外付けMOSFETのゲートを充電するための複数のプログラマブル・プルアップおよびプルダウン電流ソースを備えています。図4は、外付けMOSFETとモータ負荷で構成されたハーフブリッジ・プリドライバの概略図です。

 

Simplified HB Pre-Driver Controlling External MOSFETs and Motor Load

図4:外付けMOSFETとモータ負荷を制御するHBプリドライバの概略図

 

上図のオレンジ色で示したプログラマブル電流源は、高度なスルーレート制御を可能にします。ターンオン動作を高速化するために、HS1のプルアップ電流源を段階的に増加させてゲートを高速充電し、モータ負荷のスイッチング動作を予測可能にします。正確なスルーレート制御の大きな利点は、最小および最大デューティサイクルを厳しくして、より高いパルス幅変調(PWM)周波数を可能にし、電力損失を管理して電磁放射を低減することです。

モータ制御アプリケーションでは、可聴周波数範囲を超える20 kHz以上のPWMが強く望まれます。デューティサイクルの最小値と最大値に関するより良い性能は,トルク要件が変化するモータ負荷の高度な速度制御を提供します。例えば、重負荷やモータの始動状態では、速度を一定に保つために高いトルクが必要となります。システム設計者は、より高いトルクを得るために、モータの電流を増加させるためにデューティサイクルを増加させる必要があります。したがって、100%の値に近いデューティサイクルで動作させることが望ましいです。

MOSFETの電力損失は、大電流かつ高ドレイン・ソース間電圧(VDS)の動作点により、チャネルが導通し始めるときに最大となります。多くの場合、MOSFETの高VDS状態から完全に強化されたVDSステージに素早く移行することが望まれます。したがって、要求の厳しい負荷に対するPWMサイクル中のスイッチング損失を最小化することができます。スイッチングが速すぎると,モジュールの劣化やシステムからの望ましくない電磁放射の原因となるシュートスルー現象が発生する可能性があります。ゲートドライバステージの選択可能な電流源により、システム設計者は、設計検証時、生産段階でのエンドオブラインキャリブレーション時、さらには最終製品のライフタイム中のソフトウェア更新時に、熱やエミッションのニーズに基づいてスイッチング・プロファイルを変更することができます。

FLEXMOSハーフブリッジ・プリドライバは、MOSFETの制御に加えて、アクティブMOSFETのVDSを監視することにより、短絡時に外部MOSFETと接続された負荷を監視し保護します。図5に出力波形の例と各障害状況を示します。FLEXMOSの一部のプリドライバは、VDS監視方式をダイナミックVDS保護とスタティックVDS保護の2つのセグメントに分けて提供しています。ダイナミックVDS保護はスイッチング・フェーズを監視し、スタティックVDS保護はMOSFETが完全にオンしたときにアクティブになります。工場ラインでプログラムされた既知の電圧対時間のスイッチング・プロファイルに対して、選択したFLEXMOSハーフブリッジ・デバイスは、出力電圧(VHB)の進行を監視し、故障状態があるかどうかを判断できます。

 

Half-Bridge Output Switch Profile and VDS Protection

図5:ハーフブリッジ出力スイッチ・プロファイルとVDS保護

 

プログラマブル電流設定、PWM動作、デバイス保護機能の詳細については、当社のアプリケーションノートとリファレンスツールをご参照ください。迅速なベンチ評価用に評価フィクスチャをご希望の場合は、オンセミの営業担当または正規販売代理店にご請求ください。

 

その他の設計資料・情報:

 

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