FETモタドラ設計 その２ -ブートストラップコンデンサ編-

どうも、Nekosanです。



モタドラ回路製作記事２回目です。


前記事ではドライバ回路の概要を記載したので、回路設計に入っていきます。

たくさんの数式が出てくるので、注意です。

言っても、四則演算ですが。

ドライバ回路の、ハーフブリッジを抜き出した図です。


ブートストラップ回路は比較的単純に構成できます。

使用部品は、

　　Ｒ１、Ｒ２　：　ゲート抵抗。
　　Ｒ３、Ｒ４　：　Ｇ－Ｓ抵抗。
　　Ｃ１　：　ブートストラップコンデンサ。
　　Ｃ２　：　ＩＣ用バスコン。
　　Ｄ１　：　ブートストラップダイオード。

です。


ここから、部品の選定です。

まずは、ブートストラップコンデンサから。

ブートストラップでは、ハイサイドのゲート駆動電圧を、ブートストラップコンデンサによって得るため、ゲート駆動に必要な電荷を貯めれるコンデンサを用いないといけません。

ブートストラップコンデンサの容量の決め方は、ＩＲ社の資料にありました。
http://www.irf-japan.com/technical-info/designtp/dt98-2j.pdf

ブートストラップによって供給される最小の電荷量をQbsとすると、

Qbs = 2Qg + (Iqbs / f) + Qls + (Icbslk / f)
Qg : ハイサイドＦＥＴのゲート電荷。
Iqbs : フローティング電源の静止電流
f : 周波数。
Icbslk : ブートストラップコンデンサのリーク電流。
Qls : 周期ごとに必要なＩＣのレベルシフトチャージ。　IR2110は5nC。

で、求められます。

なぜ、ゲート電荷を２倍にして計算しているのかがよくわかりません...。誰か教えてください。


ブートストラップコンデンサは、この電荷を供給して、最大電圧を保たないといけません。

もし、この電荷量をギリギリ供給できる程度の容量なら、電圧がガッツリ下がって、ハイサイドを駆動することができなくなります。

そのため、コンデンサの電荷Qbsは、さっきの式の２倍は最低限必要です。


そのことを考慮して、コンデンサの容量を計算します。

C >= (2 * Qbs) / (Vcc - Vf - Vls)
Vcc : ドライバＩＣの電源電圧。
Vf : ブートストラップダイオードの順方向電圧降下。
Vls : ローサイドＦＥＴの電圧降下

この容量のコンデンサが必要です。


ただし、この容量は最小限必要とされる値です。

小容量のコンデンサは過充電を引き起こす可能性があって、ＩＣが損傷する場合もあります。

そのため、このコンデンサ容量は、最低限必要な容量の15倍程度にしたものを目安にします。


で、今回の例に当てはめてみます。

まず必要な電荷量Qbsを求めます。

使用するＦＥＴは、IRBF4410です。（図中は、IRFB3607と書いてますが、こちらを使う予定です。）
http://akizukidenshi.com/download/ds/ir/IRFB4410%20IRFS4410%20IRFSL4410.pdf

ゲート容量Qgは、180nCが最大値です。

ブートストラップコンデンサのリーク電流、、、わからん。
と、思ったら、これは電解コンデンサを使うときだけ考えればいいらしい。ひとまず０Ａにします。

IqbsはIR2110のデータシートに載ってました。　230uA(max.)です。

動作周波数ですが、1kHz ~ 25kHzで動作させれたらいいなーと思っているので、1kHzと25kHz両方で計算します。

Qbs1 = 2 * 180 * 10 ^ -9 + (230 * 10 ^ -6 / 25000) + 5 * 10 ^ -9 + (0 / 25000) = 374nC
Qbs2 = 2 * 180 * 10 ^ -9 + (230 * 10 ^ -6 / 1000) + 5 * 10 ^ -9 + (0 / 1000) = 595nC

Cを求める式、(2 * Qbs) / (Vcc - Vf - Vls)の分母部分は、

Vcc : 12V
Vf : 0.7V
Vls : 0V

とします。


計算すると、

C1 = (2 * 374 * 10 ^ -9) / (12 - 0.7 - 0) = 66nF

C2 = (2 * 595 * 10 ^ -9) / (12 - 0.7 - 0) = 105nF

です。


この値の１５倍ですから、1uF~1.5uFの容量が必要になります。


手元に、1uFのセラミックコンデンサがあるので、これを使いたいと思います。
http://psearch.murata.co.jp/capacitor/product/RDER71H105K2K1C03B.html

1uFで誤差10%ですから、0.9uF~1.1uFですね。

ギリギリですが...。うん。大丈夫でしょう。(おい


しかぁし、先ほどの資料の中に、「少なくとも一つは低ESRコンデンサをデカップリング」という文字を発見してしまいました。

このセラミックコンデンサのインピーダンス-周波数特性を見てみると、1k ~ 25kHzで、１Ω弱ぐらいのインピーダンスがあります。

この値で大丈夫なのかな、という心配がありますが、大丈夫だと思うことにします。



とりあえずこれでブートストラップコンデンサの選定が終わりました。


次はゲート抵抗です。たぶん。



では、しーゆーあげいん！

FETモタドラ設計 その１ -設計概要編-

どうも、Nekosanです。


今まで何回かモータドライバについての記事を書いてましたが、回路設計メモを兼ねて、ブログ記事にしながら、設計をしようかと思います。


という訳で、第一号記事です。




まずは作ろうとしているモタドラの概要から。


概要
ブートストラップ方式によるNchMOSFETフルブリッジモータドライバ。

駆動対象：ＤＣブラシモータ

電源電圧：12V～24Ｖより広範囲。

ドライブ電流：80A以上。

動作周波数：25kHz以上。

動作要件：燃えない。


こんな感じの目標を立てています。



ドライブ回路はＦＥＴでＨブリッジ回路を用いて構成します。

ＦＥＴをドライブするための回路には、市販のゲートドライバＩＣを使用します。

使用ＩＣはInternational Rectifier社の「IR2110」です。
http://www.irf.com/product-info/datasheets/data/ir2110.pdf

Ｎｃｈフルブリッジを組んだ場合は、ハイサイドのＦＥＴの駆動方法が課題ですが、このＩＣはブートストラップ方式を用いて昇圧することで、少数の部品でハイサイドのＦＥＴを駆動することが可能です。

ブートストラップ方式を用いると、ＰＷＭのデューティー比の制限や、ハイサイドをＯＮにし続けれないという制限もありますが、簡単に作れるので、この方式を採用しています。


このＩＣのロジック入力は、ハイサイド、ローサイド別々なので、その前にロジック回路を設けます。

マイコンのピン数を抑えるために、１本のＰＷＭ信号でハーフブリッジを駆動するように、ロジックを構成します。

そうすると、上下段の切り替えにデッドタイムが必要なので、その回路も追加します。



今まで設計してきた回路は、前記事にも載せていた回路図の通りです。

この記事の説明では、アナログ回路の部分のみ書きました。

マイコン等、デジタル回路の方はまた今度です。


アプリケーションノートを見ながら回路設計をしたつもりですが、メモを取っていなかったので、確認を兼ねて、記事を書いていきたいと思います。




最初ですので、これぐらいで。

しーゆあげいん。

















あっ、目標期日を決めるのを忘れていました。

もうロボコンもシーズンに入るので、設計終了の〆切を決めたいと思います。

〆切は！
5/19！！

です。


これまでに設計を終えないと、実質ロボコンで使うのは厳しいので、これを目標に。


では今度こそ。

しーゆーあげいん！

ロボコンで使うモータドライバのお話

どーも、Nekosanです。

またもや学校が忙しかったり、部活が忙しかったり、資格の勉強が忙しかったり、眠かったり、鬱になってたりで間が空いてました。

まあ今後もこんな感じが続くかもです。

できるだけ続けて書くようにがんばります。


ここ最近、ロボコンで使うドライバを設計して、テストしたりしていました。

で、いろいろ試してみてから、本番でＮｃｈフルブリッジＦＥＴのモタドラを使うのはやっぱり怖い、と思って、別案をいろいろ考案中です。
去年のロボコンもモタドラが焼けて動かなかったというトラウマがあるので、怖いんです。はい。

で、とりあえず選択肢としては。。。

①設計しているＮｃｈフルブリッジモタドラを使う。
②ドライバの部分を市販のＩＣに置き換える。
③リレーモタドラを使う。

こんな感じです。

①はさっき言った通り、ちゃんと壊れずに動けばいいんですけどね。
FETのドライブに使っているIR2110がよく壊れたり、スパイクノイズがひどかったりして、現状じゃ使えないなぁと。

②は、部室にあるモータなら十分使えるレベルの電流が流せるＩＣがあったので、それを使おうかと。

③は、オムロンリレー使っている安定のモタドラ。

個人的には、せっかく作った自作モタドラがいいんですけど、プライド突き通して失敗するってのはもうやりたくないので、なかなか踏み出せない状況。

とはいえ、まだちょこっとだけ時間があるので、いろいろ改良を考えています。

回路図はこちら。諸事情によりＰＤＦ形式になっています。
https://docs.google.com/file/d/0BzWNJDooQAbFOVl4b3k0SzJUc0E/edit?usp=sharing

実験に使った回路との相違点は、
①ゲート抵抗の変更（10[Ω] -> 47[Ω]）
②IR2110のブートストラップ用コンデンサを10uFから1uFに変更
③ゲート抵抗に並列にダイオードを追加。ゲートの電荷を逃がす為。
④デッドタイム回路のＣＲ値を変更して、デッドタイム時間を500nsに変更。短い気がするので、今後変更する可能性大。
⑤逆起電力吸収用のダイオードをブリッジダイオードからディスクリートのショットキーバリアダイオードに変更。
⑥IR2110用の電源と、モータドライブ用の電源を分ける。

という感じ。
主に回路の定数の変更です。

また、IR社のアプリケーションノートによると、ハイサイド側のVs端子（モータ端子に接続されている）に、スパイク電圧が発生するらしく、対策が書かれていました。
http://www.irf-japan.com/technical-info/appnotes/AN-978.pdf

寄生成分の影響が結構あるらしいので、配線なども考えないと。。。


とりあえずこんな感じで、もう一度試作回路を作って実験しようと思っています。

もうすぐルール発表だし、早くしなければ...。


では、これぐらいで。
しーゆーあげいん。