ワイドバンドギャップデバイスは、モーター制御設計を強化します

モーター制御システムは、IGBT、WBG半導体、MCUなどのソフトウェアとハ​​ードウェアのコンポーネントで構成されており、これらはますます複雑になっています。

モーターコントロールは、インダストリー4.0の技術開発において重要な戦略的役割を果たしています。産業開発における重要な関心事の1つは、エネルギー使用量です。産業用電気モーターの電力需要もあり、電力消費量は大幅に増加しています。これらの高まる需要の結果として、モーター制御の分野で効率的なソリューションを探すことは、開発者とコンポーネントメーカーの両方にとって優先事項です。

エネルギー消費に加えて、多大な労力を必要とする多くの電子技術を含む厳しい制御要件のために、設計の複雑さが増しています。一例として、ワイドバンドギャップ（WBG）材料の使用があります。

機能的な観点から、モーター制御はいくつかのレベルで構成されています。たとえば、モーションコントロールでは、非常に高度で計算量の多い制御アルゴリズムを実行する必要があります。モーター制御は、ファンやポンプの単純な制御から、ロボット工学やサーボ機構などの産業用制御のより複雑な問題まで、幅広いアプリケーションをカバーしています。ここでは、モーター制御システムの主要コンポーネントを見ていきます。

モーターとドライバー

DCモーターは、安価で、固定子（固定部分）（永久磁石）と、電流を供給する整流子に接続された巻線を収容する可動部分（回転子）で構成されているため、最も一般的です。モーターの速度制御は、直流を調整することによって実現されます。この目的のために、アプリケーションの性質に応じて、フルブリッジ、ハーフブリッジ、または降圧コンバーターを使用してDCモーターを駆動します。

ACモーターは基本的に、AC電圧に接続された一次セクションと誘導された二次電流を伝導する二次セクションを備えた変圧器で構成されます。このモーターの速度を制御するために、マイクロプロセッサーベースの電子機器、インバーター、および信号調整が使用されます。

コントローラは、制御システムの「頭脳」として機能する電子デバイスです。使用されるコントローラーの数は、制御する必要のある個々のプロセスの量によって異なります。複雑なシステムの場合、多数のコントローラーが存在する可能性があります。これらの各コントローラーは、モーターにコマンドを送信すると同時に、アクチュエーター自体から命令を受け取ることができます。

産業用アプリケーションで使用されるロボットシステムは、主に交流電圧（AC）で駆動される三相モーターを使用します。例として、図。 1 専用マイクロコントローラ（MCU）がPWM信号を生成する電子制御回路のブロック図を示します。 MCUの代替として、DSPまたはFPGAソリューションは、複雑なデジタルフィルタリングアルゴリズムの実装に適しています。

図1：AC電源の三相誘導モーター制御のブロック図（出典：Texas Instruments）

DCモーターのコントローラーの例は、TrinamicのTMCM-1637 5-ARMSおよびTMCM-1638 7-A RMSスロットタイプモジュールで、フィールド指向制御（またはベクトル）用のホールおよびABNエンコーダー機能を追加する2つのフィールド指向コントローラー/ドライバーを備えています。コントロール）。これらのモジュールは、単相DCモーター、2相バイポーラステッピングモーター、および3相ブラシレスDC（BLDC）モーターをサポートします（図2 。

IGBT

絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（IGBT）は、電力制御電子機器の真の革新を体現しています。スイッチングソリューションとしての革新は、高いスイッチング周波数から生まれます。 IGBTは、複雑なモーター制御の問題を解決するのに適した電力制御デバイスの基本機能を表しています。

最新のソリューションは、電気モーターを駆動するインバーターを実装する場合など、特に極端な使用条件でのスイッチング速度と動作の安定性の間に優れた関係を開発しました。一例として、STMicroelectronicsの1,200 V IGBTSシリーズがあります。これらのIGBTは、低周波数（最大8 kHz）での使用に最適化されており、V _ce（sat）が低いという特徴があります。 。 1,200 VのIGBT Sシリーズは、第3世代のトレンチゲートフィールドストップ技術に基づいています。

GaNとSiC

ただし、WBG材料である窒化ガリウムと炭化ケイ素は、シリコンベースのデバイスの代わりとしてモーター制御アプリケーションに浸透しています。パワーエレクトロニクスにおいて、WBG材料によって提供される主な利点には、より低い電力損失、より高い効率、より高いスイッチング周波数、よりコンパクトなサイズ、より高い動作温度（シリコンによって達成可能な150°Cの上限をはるかに超える）、困難な動作条件下でのより高い信頼性が含まれます。 、および高い絶縁破壊電圧。

たとえば、GaN高電子移動度トランジスタ（HEMT）の電子移動度が高いほど、通常は接合部に蓄積する電荷をより迅速に分散できるため、スイッチング速度が速くなります。立ち上がり時間が速く、ドレインからソースへのオン抵抗が低くなります（R _DS（on） ）値、およびGaNで達成可能なゲート容量と出力容量の削減はすべて、その低いスイッチング損失と、シリコンよりも最大10倍高いスイッチング周波数で動作する能力に貢献します。

電力損失の削減は、より効率的な配電、より少ない熱放散、より単純な冷却システムなどの追加の利点をもたらします。多くのモーター制御アプリケーションでは、デバイスの安全な動作限界内で動作するように強制空冷を提供するファンが必要です。 GaNを使用することにより、消費電力を削減し、「ファンレス」動作を可能にします。これは、電子ドローンなどの軽量アプリケーションで特に重要です。

産業用電力アプリケーションでは、電子設計者はSiC MOSFETを使用することでメリットを得ることができます。これにより、IGBTなどの従来のSiベースのソリューションよりも大幅な効率の向上、ヒートシンクのサイズの縮小、およびコストの削減が実現します。 SiCテクノロジーは非常に低いR _DS（on）を実現します 単位面積あたり、高いスイッチング周波数、およびボディダイオードのオフに続いて発生する逆回復フェーズ中のごくわずかなエネルギー損失。

モーター制御および電力制御アプリケーションでのSiCデバイスの使用は、エネルギー節約、サイズ縮小、より高度な統合、信頼性などの機能のおかげで、真のブレークスルーです。これらの機能により、自動車や産業用自動化制御などの信頼性の高いセクターに最適です。

産業用ドライブでは、転流速度のオンとオフに特に注意を払う必要があります。実際のところ、SiC MOSFET dV / dtはIGBTよりもはるかに高いレベルに達する可能性があります。適切に対処されていない場合、高転流dV / dtは、長いモーターケーブルの電圧スパイクを増加させ、コモンモードおよびディファレンシャルモードの寄生電流を生成する可能性があります。ターンオン/オフを高速化すると効率が向上しますが、信頼性の理由から、産業用ドライブの一般的なdV / dtは5〜10 V / nsに設定されることがよくあります。

STMicroelectronicsが2つの類似した1.2kVパワートランジスタ（SiC MOSFETとSiベースのIGBT）で行った比較により、SiC MOSFETデバイスは、ターンオンとターンオフの両方で、 5 V / nsの強制条件下でもSiIGBT（図3 。

図3：2レベル、3相インバータベースのドライブ（出典：STMicroelectronics）

モーター制御および電力制御アプリケーションでのSiCデバイスの使用は、一般に、エネルギー節約、サイズ縮小、統合の機会、信頼性などの機能のおかげで、真のブレークスルーです。他のオプションの中でも、接続されたモーターのインバーター回路で最適なスイッチング周波数を使用できるようになりました。これは、モーター設計に重要な利点をもたらします。

たとえば、1,200Vに最適化されたD²PAK-7SMDパッケージの.XT相互接続テクノロジーを備えたInfineonTechnologiesのSiCベースのCoolSiCMOSFETは、サーボドライブなどの電力密度が重要なモータードライブセグメントでのパッシブ冷却を可能にし、ロボット工学および自動化業界をサポートします。メンテナンスフリーでファンレスのモーターインバーターの実装（図4 。

自動化では、ファンレスソリューションは、メンテナンスと材料のコストと労力を節約するという事実に基づいて、新しい設計の機会を可能にします。インフィニオンのCoolSiCトレンチMOSFETチップソリューションと.XTインターコネクトテクノロジーは、小さなフォームファクタで魅力的な熱機能を提供し、例としてロボットアームへのドライブ統合に最適です。 CoolSiC MOSFET SMDデバイスの短絡耐量は3µsで、定格は30mΩから350mΩです。これはサーボモーターの要件を満たしています。

図4：すべての動作モードでの伝導損失の低減（出典：インフィニオンテクノロジーズ）

マイクロコントローラー

モーター制御ソリューションは、ハードウェアとソフトウェアのコンポーネントで構成されています。ハードウェアコンポーネントは、IGBT、SiCおよびGaN MOSFET、パワーダイオードなどの電子制御デバイスですが、ソフトウェアコンポーネントは、ますます複雑で高度化するハードウェアの制御に対応しています。パワーデバイスの制御と管理用に最適化されたコンピューティングアーキテクチャの可用性により、開発者は、他の方法では制御分野では不可能なパフォーマンスを得ることができます。

いくつかの例は、NXPセミコンダクターズとルネサスエレクトロニクスからのものです。 NXPの32ビットプロセッサのMPC57xxファミリは、他の自動車制御および機能管理の可能性に加えて、自動車および産業用パワートレインアプリケーション向けのパワーアーキテクチャテクノロジに基づいています。プロセッサは、AEC-Q100品質、改ざん防止のためのオンチップセキュリティ暗号化保護、およびASIL-DおよびSIL-1機能安全（ISO 26262 / IEC 61508）のサポートを提供します。イーサネット（FEC）、デュアルチャネルFlexRay、および最大6つのSCI / 8 DSPI / 2 I ² を提供します。 さまざまな通信プロトコルの場合はC。

ルネサスは、ArmCortex-M4コアをベースにしたRA6T132ビットMCUを提供し、120 MHzで動作し、高性能で高精度のモーター制御用に最適化された周辺機器のコレクションを備えています。 1つのRA6T1MCUで、最大2つのBLDCモーターを同時に制御できます。さらに、TinyMLアプリケーション用のGoogle TensorFlow Lite Microフレームワークは、RA6T1 MCUに強化された障害検出を追加し、予知保全のためのインテリジェントで使いやすく、費用対効果の高いセンサーレスモーターシステムを顧客に提供します。

モーターの要件はアプリケーションによって異なり、特定のユースケースに合わせて最適化および微調整する必要がある場合があります。市場は、これらの要件を満たすために、IGBT、WBG半導体、およびMCUに関していくつかのソリューションを提供しています。ただし、より多くの診断、予知保全とAI、および機能安全システムを可能にしながら、プロセッサからリアルタイムの重要なタスクをオフロードする新しいハードウェアを開発する必要があります。

>>この記事は、もともと姉妹サイトであるPower ElectronicsNewsで公開されました。

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