ブラシレスDC(BLDC)モータの設計: 新たな出発点

著者:  Bob Card  - 09-17-2021 

はじめに

ブラシレスDC(BLDC)モータの設計は複雑です。お客様が電子機器を選択する際には(古い出発点)、MOSFETIGBTゲートドライバなどの膨大な製品ポートフォリオの中から、迷路のようにナビゲートしていくことになります。

 

オンセミ(onsemi)は、お客様の最終的な意思決定に近づけるために、ゲートドライブとスイッチ(N-FETまたはIGBT)をマッチングさせる「新しい1次近似の出発点」を提供することで、従来行っていたような製品ポートフォリオを延々と調査し続けるという「古い出発点」を飛躍的に改善します。この記事では、12V、24V、48V、60V、120V、200V、300V、400V、650V、最大6kWまでのモータ電圧に対応した5つの包括的な表を提示しています。

 

図1

 

ブラシレスDC (BLDC)モータ

ブラシレスDC(BLDC)モータは、ブラシ付き永久磁石DCモータ(PMDC)と比較して、信頼性が高く、メンテナンスがほとんど不要で、電気的・音響的ノイズが少なく、熱的にも優れており、速度範囲が広く、電力密度が高いなど、多くの利点があります。一般的なBLDCモータは、ロータに永久磁石を使用し、ステータに3つの電機子巻線(U、V、W)を使用しています。マイクロコントローラ(MCU)は、さまざまな制御・変調方式(台形波、正弦波、SVM付きFOC、DTCなど)のいずれかを実装して、モータの巻線に戦略的に通電します。これにより電磁界が発生し、ロータの磁石とステータの巻線の間に相互作用が発生します。この相互作用が適切に行われると、モータの速度、トルク、またはパワーを目的の方向に正確に制御することができます。

図2は、3相BLDCモータの典型的なブロック図です。MCUは制御・変調方式のファームウェアを実行し、PWMペリフェラルに3つのハーフブリッジ・ゲートドライバに6つの調整されたデューティサイクルを出力するように命令します。これらの3つのドライバは、出力ブリッジにある6つのパワーMOSFETのパワーステアリングとして機能し、ローサイド(LS)とハイサイド(HS)のU、V、Wの各MOSFETにエネルギーを供給します。これらのMOSFETは、通常、モータ電圧の1.5~2.0倍の電圧(~300V)に耐えられるNチャネルMOSFETです。300V以上の電圧では、NチャネルMOSFETの代わりに、より高い電力性能を持つIGBTが使用されます。

MCUは、FAN4852、CMOSオペアンプ(9MHz typical BW)を介して各巻線に流れる電流を測定し、オプションとして、ホール効果センサーからのフィードバックでロータの角度位置を評価することができます。また、センサーレスのアーキテクチャを実装することもできますが、その場合は処理オーバーヘッドが大きくなります。RSL10 BLEは、アセット・トラッキング、Firmware over the Air Updates (FOTA)、機能選択/チューニング、テレメトリ・データ収集などに使用できます。

 

図2

 

BLDC表1:12V & 24V (N-FET) 最大1.1kW

以下の表1は、12Vで93Wから372Wまで、24Vで186Wから1.1kWまでのNチャネルMOSFETにBLDCのゲートドライブを適合させるための「新しい1次近似の出発点」を示しています。

 

表1

 

BLDC 表 #2:48V & 60V (N-FET) 最大1.5kW

以下の表2は、BLDCのゲートドライブNチャネルMOSFETに合わせるための「新しい1次近似の出発点」を、48Vでは186Wから1.5kWまで、60Vでは186Wから1.5kWまでの範囲で示したものです。

 

  

表2

 

BLDC 表 #3:3kWまでの48V & 60V (N-FET)

以下の表 3は、BLDCのゲートドライブNチャネルMOSFETに合わせるための「新しい1次近似の出発点」を、186Wから1.8kWまでの120Vと、186Wから3kWまでの200Vに分けて示しています。

 

表3

 

BLDC 表 #4:6kW までの300V & 400V (IGBT)

以下の表4は、BLDCのゲートドライブIGBTをマッチングさせるための「新しい1次近似の出発点」を、372Wから4.5kWまでの300Vと、372Wから6kWまでの400Vについて示したものです。

 

表4

 

BLDC 表 #5:6kWまでの300V, 400V & 650V (IPM)

以下の表5は、ゲートドライブIGBTを使いやすいモジュールに統合したIPM(Integrated Power Modules、インテグレーテッドパワーモジュール)の「新しい1次近似の出発点」を、372Wから4.5kWまでの300V、372Wから6kWまでの400V、372Wから6kWまでの650Vについて示したものです。

 

表5

 

オンセミは、IPM(Integrated Power Modules、インテグレーテッドパワーモジュール)を用いてBLDCを構築するための非常に優れたオンラインツールを提供しています。ユーザが15の動作条件を入力すると、ツールは複数の詳細な解析表と、重要な熱および電力性能を示す12のグラフを作成します(図3)。

 

 Online Tool

図3

 

BLDC表 #1 - #5

BLDCは複雑で、最初から最後まで何百もの決定をしなければなりません。例えば、a、b、cという3人の異なる顧客を想定した場合(図 1)、同じ「出発点」(24V、1 1/4hpのモータ)から始めたとしても、3人の顧客がそれぞれのディシジョン・ツリーをナビゲートする頃には、最終的なデザインは全く異なるものになっているでしょう。これは、コスト、効率、電力密度、フォームファクタ、メンテナンス、寿命など、それぞれの顧客が独自の閾値を持っているからです。そのため、ゲートドライブとスイッチ(MOSFET/IGBT)のマッチングテーブルを作成して、すべてのお客様に正しいものを提供することは不可能なのです。もしやってみたとしても、1人のお客様に対しては正しく、別の999人のお客様に対しては正しくないかもしれません。しかし、知的な工学的考察に基づいていくつかの合理的な仮定を行い、お客様にスイッチとゲートドライバのポートフォリオをお渡しすること(昔の出発点:お客様ご自身でお決めください)と、お客様が最終的に決定することの間に位置する「1次近似」を作成することができます。

 

一次近似のエンジニアリング的考察

1)コスト:以下の条件を満たした上で、最もコストの低いものを選ぶようにしました。

2)トポロジー:制御が比較的簡単で、高効率・高ピークトルクが得られる台形整流(通称:6段制御)を採用しました。一度に2つの電源スイッチしかオンにならないため、各スイッチの「オンタイム」デューティサイクルは33%となっています。

3)PWMデューティサイクル:PWMの周波数は15kHz。これは6kW以下のほとんどのBLDCの典型的な値です。

4)ゲートドライバ:ジャンクション絶縁型ゲートドライバ。これらの表にはガルバニック・アイソレーションは含まれていません。

5) 温度:周囲温度850℃

6) ゲートドライブの計算:定格ゲートドライブは、QG(TOT)(nC)をON/OFF時間(ns)で割って算出します。N-FETのON/OFF時間は50ns、IGBTのON/OFF時間は200nsとしました。

7)N-FETのジャンクション温度:表面実装型(ヒートシンクなし)の場合のジャンクション温度(TJ)は、TJ = PDISS x RθJA + Ambientで計算され、最大定格TJから最低250℃のヘッドルームを残します。

ここで

  1. RθJA = ジャンクションと周囲の熱抵抗

8) IGBTのジャンクション温度:ヒートシンク付きスルーホールパッケージのIGBTジャンクション温度(TJ)は、TJ = PDISS x (RθJC + RθCS + RθSA) + Ambientで計算され、最大定格TJから最低500℃のヘッドルームを残します。

ここで

  1. RθJC = ジャンクション・ケース間の熱抵抗
  2. RθCS = ケースからヒートシンクへの熱抵抗
  3. RθSA = 放熱板-周囲間の熱抵抗

9) N-FETの許容損失:IPHASE2(A)×RDSON(Ω)

10) IGBTの許容損失:スイッチング損失+導通損失+ダイオード損失

ここで

  1. スイッチング損失=Ets(J)×PWM周波数 (Hz)
  2. 伝導損失=IPHASE(A)×VCE(SAT)(V
  3. ダイオード損失=(スイッチング損失+導通損失)×0.25

11) スイッチの電圧定格:N-FET V(BR)DSSおよびIGBT VCES = 2-3xモータ電圧

12) スイッチの定格電流: N-FET IDおよびIGBT IC = 3 x IPHASE

13) モータ相電流:IPHASE = 1.23 x POUT / VBUS

ここで

  1. IPHASE = モータ相電流、アンペア
  2. POUT = インバータからモータへの電力出力
  3. PF = モータの力率、0.0~1.0、1.0が理想(ここでは0.85と仮定)
  4. VBUS = モータバス電圧、VDCまたは24V
  5. MI = Modulation Index(変調指数)、0.0~1.0、標準的には0.9(ここでは0.9と仮定)

 

モータ制御の詳細はこちら

 

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