IGBTモジュールを使用しモータドライブとインバータの設計を簡素化する方法
著者 Jeff Shepard(ジェフ・シェパード) 氏
Digi-Keyの北米担当編集者 提供
2020-12-10
マルツ掲載日：2021-04-26
モータとインバータの使用は、産業用オートメーション、ロボット工学、電気自動車、太陽エネルギー、白物家電、電動工具などのアプリケーションで増え続けています。この増加に伴い、効率性の向上、低コスト化、フットプリントの縮小、全体的な設計の簡素化が求められています。
特定の要件に合わせてディスクリート絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)を使用してカスタムモータやインバータのパワーエレクトロニクスを設計することは魅力的ですが、長期的にはコストがかかり、設計スケジュールが遅れる可能性があります。
その代わり、複数の電源デバイスを1つのパッケージにまとめた既製のIGBTモジュールを使用することができます。このようなモジュールは、最小限の相互接続でコンパクトなシステムを開発するという設計者のニーズをサポートできるため、アセンブリを簡素化し、市場投入までの時間とコストを削減し、全体的な性能を向上させます。適切なIGBTドライバと組み合わせることで、IGBTモジュールは、効率的でコスト効率の高いモータドライブやインバータの開発を可能にします。
この記事では、電気モータやインバータ、それに関連する駆動回路や性能要件について簡単に説明します。次に、IGBTモジュールと各種モジュールのパッケージ規格を使用するメリットについて考察します。
それから、NXP Semiconductors、Infineon Technologies、Texas Instruments、STMicroelectronics、ON Semiconductorなどのベンダーが提供するIGBTモジュールやドライバICをベースにしたモータドライブとインバータの設計オプションを紹介し、評価ボードの使用など、モータドライブとインバータの設計オプションを適用する方法について説明します。
モータタイプと効率基準
IEC/EN 60034-30では、モータ効率をIE1～IE5の5つのクラスに分けています。アメリカ電機工業会(NEMA)には、「標準効率」から「ウルトラプレミアム効率」までの対応する定格クラスがあります(図1)。より高効率の基準を満たすためには、電子駆動装置の使用が必要です。電子駆動のAC誘導モータはIE3とIE4の要件を満たすことができます。IE5の効率レベルを満たすためには、より高価な永久磁石モータと電子駆動装置が必要です。
図1：IEC/EN 60034-30に準拠したモータ効率クラス(IE1～IE5)と対応するNEMA定格(標準効率からウルトラプレミアム効率まで)。FOCと電子駆動のAC誘導モータはIE3とIE4の要件を満たすことができます。IE5の効率レベルを満たすためには、永久磁石モータが必要です。(画像提供：ECN)
低コストのマイクロコントローラ(MCU)の開発により、設計者は、フィールド指向制御(FOC)とも呼ばれるベクトル制御を使用することが可能になりました。FOCは可変周波数駆動(VFD)制御方式の1つです。この方法では、3相ACモータのステータ電流を直交する2つの成分として識別し、ベクトルで可視化することができます。
比例積分(PI)コントローラは、測定された電流成分を所望の値に保つために使用することができます。VFDのパルス幅変調は、PI電流コントローラの出力であるステータの電圧リファレンスに従ってトランジスタのスイッチングを定義します。
もともと高性能システム向けに開発されたFOCは、低コストのアプリケーションでもますます魅力的なオプションとなっています。これは、FOCを搭載したモータが小型、低コストで、低消費電力であるためです。低コストの高性能MCUが入手しやすくなっているため、低性能の単一変数スカラーV/Hz(V/f)制御の代わりにFOCが使用されることが多くなっています。
現在使用されている永久磁石モータには、ブラシレスDC(BLDC)モータと永久磁石同期型モータ(PMSM)の2つの主要なタイプがあります。これらの先進的なモータ設計はいずれも、駆動と制御のためにパワーエレクトロニクスを必要とします。
BLDCモータは、耐久性、効率性、費用対効果に優れています。PMSMモータは、BLDCモータの特性を持ちながら、低ノイズ、高効率を実現しています。どちらのタイプのモータもホールセンサで一般的に使用されていますが、センサレス設計でも使用できます。PMSMモータは最高レベルの性能を必要とするアプリケーションに使用され、BLDCモータはコスト重視の設計に使用されます。
BLDCモータ
・制御しやすく(6ステップ)、DC電流のみが必要
・整流時のトルクリップル
・PMSMよりも低コストであるものの、性能が劣る
PMSMモータ
・シャフトエンコーダを内蔵したサーボドライブでよく使用される
・制御が複雑(3相正弦波PWMが必要)
・整流時のトルクリップルなし
・高効率、高トルク
・BLDCよりもコストが高いものの、性能は上
インバータの概要
インバータの効率は、DC入力電源が出力でAC電源に変換される量を示します。高品質の正弦波インバータは90～95%の効率を実現します。低品質の変更された正弦波インバータは、シンプルで低コストです。その効率は通常75～85%とさほど高くありません。
高周波インバータは通常、低周波設計よりも効率的です。また、インバータ効率はインバータ負荷にも依存します(図2)。すべてのインバータには、電力電子駆動と制御が必要です。
太陽光発電インバータの場合、効率ランキングには3つの種類があります。
・ピーク効率は、最適な電力出力でのインバータの性能を示します。これは、特定のインバータの最大ポイントを示しており、その品質の基準として使用することができます(図2)。
・欧州効率は、異なる電力出力でどれだけの頻度でインバータが動作するかを考慮した重み付けされた数値です。1日の間に異なる出力レベルでインバータがどのように動作するかを示しているため、ピーク効率よりも有用な場合があります。
・カリフォルニア州エネルギー委員会(CEC)の効率も、欧州効率と同様に重み付けされた効率ですが、重み付け係数に関して異なる仮定を使用しています。
欧州効率とCEC効率の主な違いは、特定のインバータにおける各電力レベルの重要性に関する仮定が、前者では中央ヨーロッパ、後者ではカリフォルニアのデータに基づいていることです。
図2：ピーク効率のポイントを示す一般的なインバータ効率曲線。(画像提供：ペンシルベニア州立大学)
IGBTの基礎
IGBTの基本的な機能は、損失を最小限に抑えながら、電流を可能な限り高速でスイッチングすることです。IGBTはその名の通り、ゲートが絶縁された構造のバイポーラトランジスタで、ゲート自体は基本的にはMOSFETです。
そのため、IGBTは、バイポーラトランジスタの高い通電能力と高ブロッキング電圧の利点と、MOSFETの容量性、低電力制御の利点を兼ね備えています。図3は、MOSFETとバイポーラトランジスタの組み合わせにより実現するIGBTを示しています。
図3：絶縁ゲートを構成するMOSFETとパワーハンドリング部であるバイポーラトランジスタ構造を示すIGBTの概念構造。(画像提供：Infineon Technologies)
IGBTの基本的な動作はシンプルです。ゲート(図3のG)からエミッタ(E)への正電圧UGEでMOSFETがオンになります。そして、コレクタ(C)に接続された電圧は、バイポーラトランジスタとMOSFETを介してベース電流を駆動することができ、バイポーラトランジスタがオンし、負荷電流を流すことができます。UGEが0V以下の電圧でMOSFETがオフし、ベース電流が遮断され、バイポーラトランジスタもオフします。
概念的にはシンプルですが、実際のデバイスや回路では多くの性能差があるため、IGBTを制御するためのハードウェア(ゲートドライバ)の開発は複雑な作業になる可能性があります。ほとんどの場合、こうしたハードウェア開発は不要です。
半導体メーカーは、統合ソリューションとして、さまざまな機能と特性を備えた適切なゲートドライバを提供しています。したがって、IGBTモジュールと適切なゲートドライバのマッチングが重要になります。
IGBTモジュールは、さまざまなパッケージで提供されています(図4)。最大サイズは3,300V以上の定格で、再生可能エネルギーシステム、無停電電源、超大型モータドライブなどのメガワットの設備で使用するために設計されています。中型モジュールは一般的に600～1700Vの定格で、電気自動車、産業用モータドライブ、ソーラーインバータなど、さまざまなアプリケーションに対応しています。
図4：IGBTモジュールは、さまざまなパッケージで提供されています。標準の電圧定格範囲は600Vから3,300Vです。(画像提供：Fuji Electric)
最小のデバイスは統合型電源モジュールと呼ばれ、定格は600Vで、小型の産業システムや民生用白物家電のモータドライブ向けにゲートドライバやその他のコンポーネントを内蔵することができます。IGBTは、他のタイプのパワースイッチングコンポーネントと比較して、高い電力レベルと低いスイッチング周波数で動作します(図5)。
図5：一般的なパワースイッチングデバイスのパワーレンジとスイッチング周波数(画像提供：Infineon Technologies)
トラクションインバータ用IGBTモジュール評価ボード
NXP Semiconductorsは、高電圧トラクションインバータの設計者向けに、MC33GD3100A3EKハーフブリッジゲートドライバICを使用したFRDMGD3100HBIEVMゲートドライバ電源管理評価ボードを提供しています。この評価ボードはInfineonのFS820R08A6P2BBPSA1 IGBTモジュールとの使用向けに特に設計されています(図6)。
この評価ボードは完全なソリューションであり、ハーフブリッジゲートドライバIC、DCリンクコンデンサ、制御信号を提供するPCに接続するためのトランスレータボードが含まれています。対象アプリケーションは次の通りです。
・電気自動車用トラクションモータ、高電圧DC/DCコンバータ
・電気自動車のオンボード充電器、外付け充電器
・その他の高電圧ACモータ制御アプリケーション
図6：InfineonのFS820R08A6P2BBPSA1 IGBTモジュールに取り付けられたNXPのFRDMGD3100HBIEVMゲートドライバ電源管理評価ボード。この図では、MC33GD3100A3EK、ハーフブリッジゲートドライバIC、DCリンクコンデンサ、制御信号を提供するPCに接続するためのトランスレータボードの位置を示しています。(画像提供：NXP Semiconductors)
150mm×62mm×17mm IGBTモジュール用ドライバ
モータドライブ、ソーラーインバータ、HEV充電器、EV充電器、風力タービン、輸送機関、無停電電源システムの設計者向けに、Texas InstrumentsはISO5852SDWEVM-017を開発しました(図7)。
この製品はコンパクトなデュアルチャンネル絶縁ゲートドライバボードで、標準の150mm×62mm×17mmパッケージに収められた汎用ハーフブリッジSiC(シリコンカーバイド)MOSFETとシリコンIGBTモジュールに必要な駆動、バイアス電圧、保護、診断を提供します。
TIのこの評価ボードは、ISO5852SDW 5,700Vrms強化絶縁ドライバICをベースにしており、このドライバICは沿面距離とクリアランスが8.0mmで、SOIC-16DWパッケージに収められています。この評価ボードにはSN6505Bベースの絶縁型DC/DCトランスバイアス電源が含まれています。
図7：Texas InstrumentsのISO5852SDWEVM-017デュアルチャンネル絶縁型ゲートドライバボードは、150mm×62mmのIGBTモジュールの上に実装されています。(画像提供：Texas Instruments)
インテリジェント電源モジュール搭載の評価ボード
STMicroelectronicsは、STGIPS20C60 IGBTインテリジェント電源モジュールを搭載したSTEVAL-IHM028V2 2,000W 3相モータ制御評価ボード(図8)を提供しています。この評価ボードはDC/ACインバータで、HVAC(エアコン)や白物家電、ハイエンド単相電動工具で2000Wまでの3相モータ(誘導モータやPMSMモータなど)を駆動するために波形を生成します。この評価ボードを使用して、3相ACモータでFOC設計を実装することができます。
この評価ボードのメインセクションは完全に評価され実装された汎用設計で、600V IGBTインテリジェント電源モジュールをベースにした3相インバータブリッジで構成されています。このインテリジェント電源モジュールはヒートシンクに取り付けられたSDIP 25Lパッケージに収められています。
インテリジェント電源モジュールは、高電圧ゲートドライバとともにフリーホイールダイオードを備えたすべての電源IGBTスイッチを統合します。このレベルの統合により、PCBスペースとアセンブリコストが節約され、信頼性の向上に貢献します。このボードは90～285VACを供給する単相主電源と互換性があるように設計されており、125～400VDC入力にも対応しています。
図8：STMicroelectronicsのFOC搭載STEVAL-IHM028V2製品評価ボード。このボードは、HVAC(エアコン)、白物家電、ハイエンド単相電動工具など、さまざまなアプリケーションを評価するのに使用できます。(画像提供：STMicroelectronics)
850W評価ボードは複数タイプのモータで使用可能
ON Semiconductorは、SECO-1KW-MCTRL-GEVB評価ボードを提供しています。この評価ボードを使用して、設計者はFOCを含むさまざまな制御アルゴリズムを使用して、さまざまなタイプのモータ(AC誘導モータ、PMSM、BLDC)を制御することができます。
この評価ボードは、Arduino Dueヘッダを介して接続できるマイクロコントローラで実装されています(図9)。このボードは、Arduino DUE(互換ヘッダ)やMCUを搭載した同様のコントローラボードと組み合わせて使用することができます。
このボードは、統合型電源モジュールと力率補正のアプリケーションを設計する最初の段階で、開発者をサポートするために導入されました。産業用ポンプやファン、産業用オートメーションシステム、民生用機器の設計者が使用することを目的としています。
図9：ON SemiconductorのSECO-1KW-MCTRL-GEVB評価ボードのブロック図。(画像提供：ON Semiconductor)
この評価ボードはNFAQ1060L36T(図10)をベースにしています。NFAQ1060L36Tは統合型インバータパワー段で、高電圧ドライバ、6個のIGBT、サーミスタから構成されており、PMSM、BLDC、AC誘導モータの駆動に好適です。
IGBTは、制御アルゴリズムの選択での最大の柔軟性のために、下肢に個別のエミッタ接続を備えた3相ブリッジで構成されます。パワー段はクロス導通保護、外部シャットダウン、不足電圧ロックアウトなど、充実した保護機能を備えています。過電流保護回路に接続された内部コンパレータとリファレンスにより、設計者は保護レベルを設定することができます。
図10：ON Semiconductorの統合型電源モジュールNFAQ1060L36Tの機能ブロック図。(画像提供：ON Semiconductor)
NFAQ1060L36T統合型電源モジュールの特長
・ドライバ内蔵の3相10A/600V IGBTモジュール
・コンパクトな29.6mm×18.2mmデュアルインラインパッケージ
・不足電圧保護を内蔵
・クロス導通保護
・すべてのIGBTをシャットダウンするITRIP入力
・ブートストラップ用のダイオードと抵抗器を内蔵
・基板に温度測定用サーミスタを搭載
・シャットダウンピン
・UL1557認証
まとめ
特定の要件に合わせてディスクリートIGBTを使用してカスタムモータやインバータのパワーエレクトロニクスを設計することは、長期的にはコストがかかり、設計スケジュールが遅れる可能性があります。その代わり、設計者は、複数の電源デバイスを1つのパッケージにまとめた既製のIGBTモジュールを使用することができます。
このようなモジュールは、最小限の相互接続でコンパクトなシステムを開発するという設計者のニーズをサポートできるため、アセンブリを簡素化し、市場投入までの時間とコストを削減し、全体的な性能を向上させます。
前述のように、設計者は適切なIGBTドライバとIGBTモジュールを使用して、性能と効率の基準を満たす費用対効果の高い小型のモータドライブとインバータを開発することができます。
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