ワイドバンドギャップ半導体がモーター制御設計に革命をもたらす

モーター制御システムは、ソフトウェアとハードウェア（IGBT、ワイドバンドギャップ（WBG）半導体、マイクロコントローラユニット（MCU）など）で構成され、その複雑さは着実に増しています。

インダストリー4.0の時代において、モーター制御はデジタルトランスフォーメーションの核心に位置します。産業用電動モーターの世界電力需要が増大し続ける中、エネルギー効率が最優先事項となります。開発者とコンポーネントメーカーは、消費電力を削減しながらより高い性能を提供するソリューションを優先しています。

厳格な制御要件が高度なエレクトロニクスを要求するため、設計複雑性も増大しています。窒化ガリウム（GaN）や炭化ケイ素（SiC）などのワイドバンドギャップ材料が、不可欠なイネーブラとなっています。

モーター制御は、計算集約型アルゴリズムを実行する低レベルのモーション制御から、ファン、ポンプ、ロボット、サーボ機構を管理する高レベルのアプリケーションロジックまで、複数の層にわたります。以下に主要な構成要素を概説します。

モーターとドライバー

DCモーターはコスト重視のアプリケーションで主流です。固定子（多くは永久磁石）と、整流子に接続された巻線を持つ回転子で構成されます。速度制御はDC電圧の制御で達成されます。用途に応じて、フルブリッジ、ハーフブリッジ、または降圧コンバーターがモーターを駆動します。

ACモーターはトランスフォーマーに依存します。一次側をAC電源に接続し、二次側で誘導電流を生成します。マイクロプロセッサベースのエレクトロニクス、インバーター、信号調整が速度とトルクを管理します。

コントローラーはシステムの「頭脳」です。シンプルな構成では単一のコントローラーで十分ですが、複雑なドライブでは複数のコントローラーがモーターへの指令とアクチュエータ信号の読み取りを調整します。

産業用ロボティクスではほぼ例外なく三相ACモーターが使用されます。図1は、専用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。より要求の厳しいフィルタリングタスクには、DSPやFPGAが好まれます。

図1：AC駆動三相誘導モーター制御のブロック図（出典：Texas Instruments）

人気のDCモーターコントローラーとして、TrinamicのTMCM-1637（5A RMS）とTMCM-1638（7A RMS）モジュールがあります。これらスロットタイプユニットは、フィールド指向コントローラー、ホールセンサー、ABNエンコーダーを備え、単相DC、二相バイポーラステッパー、三相ブラシレスDC（BLDC）モーターに対応します。図2にレイアウトを示します。

IGBT

絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（IGBT）は、現代のモータードライブに不可欠な高周波動作を可能にしたパワースイッチングエレクトロニクスのブレークスルーです。最新のIGBTは、極限の自動車条件下でも速度と安定性の優れたバランスを提供します。

STMicroelectronicsの1,200V IGBT Sシリーズは、低周波動作（最大8kHz）に最適化され、低V_ce(sat)を特徴とします。第3世代トレンチゲート・フィールドストップ技術により、堅牢な性能を発揮します。

GaNとSiC

WBG材料であるGaNとSiCは、モーター制御のパワーステージでシリコンに取って代わられつつあります。その利点には以下が含まれます：

• 低い導通損失とスイッチング損失
• 高いスイッチング周波数（最大10倍高速）
• 高い動作温度（>150℃）
• 高い耐圧
• 過酷環境での信頼性向上

GaN HEMTは電子移動度が高く、より速い立ち上がり時間、低いR_DS(on)、低いゲート容量を実現します。これらの特性により、シリコンの最大10倍のスイッチング周波数が可能となり、損失と発熱を削減します。

低消費電力は冷却ファンの削減を意味し、ドローンなど軽量アプリケーションで特に価値のあるファンレス設計を可能にします。

SiC MOSFETは、従来のシリコンデバイスと比較して大幅な効率向上とヒートシンクの小型化を実現します。単位面積あたりの極めて低いR_DS(on)と無視できる逆回復損失により、熱予算を管理しながら高周波スイッチング動作が可能です。

産業用ドライブは、ターンオン/ターンオフ時の高dV/dtを管理する必要があります。SiC MOSFETはIGBTの数倍のdV/dtを生成するため、モーター絶縁を損傷する電圧スパイクを防ぐため、慎重な設計（多くの場合5〜10V/nsを目標）が求められます。

STMicroelectronicsによる1.2kV SiC MOSFETとシリコンIGBTの比較では、5V/nsストレス下でターンオンとターンオフの両方においてエネルギー損失が著しく低いことが示されています。図3に結果を示します。

図3：2レベル三相インバータベースドライブ（出典：STMicroelectronics）

SiCデバイスにより、設計者は与えられたモーターに最適なスイッチング周波数を選択でき、自動車および産業オートメーション分野で性能、サイズ、信頼性のメリットを提供します。

InfineonのCoolSiC MOSFETは、.XTインターコネクト技術を採用し、1,200V D²PAK-7 SMDパッケージに収められ、パワー密度の高いモータードライブでのパッシブ冷却を可能にします。これにより、ロボティクスとオートメーション向けのメンテナンスフリー・ファンレスインバーターをサポートします。図4は全動作モードにおける導通損失低減を示します。

図4：全動作モードにおける導通損失低減（出典：Infineon Technologies）

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、IGBT、SiC/GaN MOSFET、パワーダイオードなどのハードウェアと、それらを管理する高度なソフトウェアを融合します。最新MCUは、リアルタイム制御、診断、予知保全に必要な演算能力を提供します。

NXPのMPC57xxファミリー（Power Architecture）は、自動車および産業用パワートレインアプリケーションをサポートし、AEC-Q100品質、オンチップ暗号化、ISO 26262/IEC 61508機能安全を提供します。Ethernet（FEC）、デュアルチャネルFlexRay、複数のシリアルインターフェースを備えます。

RenesasのRA6T1（Cortex-M4）は120MHzで動作し、2つのBLDCモーターを同時に制御可能です。TensorFlow Lite Microと統合され、センサーレスモーターシステム向けのインテリジェントな故障検出を追加し、予知保全を実現します。

モーター要件が多様化する中、市場はIGBT、WBG半導体、MCUの幅広いスペクトルを供給しています。将来のハードウェアは、プロセッサからリアルタイムタスクをオフロードしつつ、診断、AI、機能安全能力を拡張する必要があります。

> この記事は元々、姉妹サイトのPower Electronics Newsで公開されました。

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