1 はじめに

車載用や産業用のモーター ドライブ、ストリング インバータ、オンボード チャージャなどの最終機器は動作電圧が高く、人間が直接扱うには安全でありません。絶縁型電圧測定は、機能を実行する高電圧回路から人間を保護することで、動作を最適化し、人間の安全を確保するのに役立ちます。

高性能を実現するように設計された絶縁型アンプは、絶縁バリアをまたぐ形で電圧測定データを転送します。絶縁型アンプを選択する基準は、絶縁仕様、入力電圧範囲、精度要件、高電圧側への電力供給方式など、その多くはアプリケーションにおける測定場所を反映したものになります。

本書では、AC モーター ドライブの最終機器で一般に行われる 3 つの電圧測定について評価し、適切な絶縁型アンプを選択するためのガイダンスを提供します。

最初の基準は必要な絶縁仕様です。関連する絶縁の定義については [1] で説明しています。テキサス・インスツルメンツの絶縁型アンプと絶縁型変調器は、通常、機器レベルの基本絶縁レベルまたは強化絶縁レベルについて、ドイツ工業規格 (DIN)、ドイツ電気技術者協会 (VDE) 0884-17、DIN 欧州統一規格 (EN) 国際電気標準会議 (IEC) 60747-17、Underwriters Laboratories (UL) 1577 などの規格の認定を受けています。詳細については、各デバイスのデータシートおよび [2] をご覧ください。

入力電圧範囲、精度要件、および高電圧側の電源方式の選択は、アプリケーションで測定される電圧ノードの場所によって異なります。図 1 は、AC モーター ドライブの簡略化されたブロック図を示したものです。電圧測定を行う 3 つの一般的な場所を示してあります。左側が AC 商用電源、中央が DC リンク、右側がモーター位相です。絶縁型アンプは、高い精度と使いやすさから、これらの測定に最適なデバイスです。

図 1 の左側の AC 商用電源入力は、多くの場合、米国では 120V_RMS/208V_RMS、欧州では 230V_RMS/400V_RMS の中央がアースの 3 相電源システムとして接続されます。この電圧測定に必要な精度は通常低く、必ずしも必要とは限りません。AC 商用電源を測定する場合は、テキサス・インスツルメンツの AMC1350 や AMC3330 など、バイポーラの高インピーダンス入力に対応したデバイスを検討してください。中性電圧を基準とした 3 相 AC 電圧測定を行う場合は、測定を実行する 3 つの絶縁型アンプすべてに対して単一の絶縁型電源を使用できます。3 相 AC 電圧の位相間の電圧を測定する場合は、DC/DC コンバータを内蔵したデバイスを使用して設計を簡素化することを検討してください。図 2 に、対応する AMC3330 の回路図を示します。

モーター ドライブのパルス幅変調 (PWM) デューティ サイクルを計算するには、通常、図 1 の中央に示す DC リンク電圧を 1% 以下の精度で測定する必要があります。

たとえば、ブレーキ動作中は DC リンク電圧が上昇し、回生ブレーキのスイッチをオンにして出力段を保護するためにアクティブに制限する必要があります。低レイテンシの測定により、過電圧イベントへの応答時間が短縮され、ハードウェアの制限に近い範囲でシステムを動作させることができます。その結果、設計マージンの強化とシステム コストの削減を実現できます。DC リンク容量は通常は数 100µF であるため、機器の保守を行う前に DC リンク コンデンサが安全なレベルまで適切に放電されたかどうかを判断するには、低電圧 (100V 未満) の正確な測定が必要になります。さらに、高分解能の AC リップルの測定により、接続されている AC 商用電源の位相損失の検出が可能になるため、グリッド側で位相測定を別途行う必要がなくなります。リップル電圧の周波数は、6 つの半波の整流であるため、60Hz の 3 相商用電源電圧の場合は 360Hz、50Hz の 3 相商用電源電圧の場合は 300Hz になります。低負荷時 (モーターが回転していないとき) は、リップル電圧の大きさが非常に小さくなる可能性があります。そのため、最高の分解能の測定を行うために変調器を選択することもできます。絶縁型アンプと絶縁型変調器の比較の詳細については、[3] をご覧ください。テキサス・インスツルメンツの AMC1351 (0～5V の入力範囲) や AMC1311 (0～2V の入力範囲) などのユニポーラ入力範囲に対応した絶縁型アンプは、DC リンク電圧測定用に特別に設計されています。図 3 に示す絶縁型トランス回路のような高電圧側に電力を供給するには、DC- を基準とするローカル電源が必要です。別のアプローチは、DC/DC コンバータを内蔵した AMC3330 などのデバイスを使用することです。

DC リンク測定と PWM デューティ サイクルに基づいて位相電圧を推定するのではなく、実際の位相電圧を測定することで、センサレス AC モーター ドライブの性能がさらに向上します。位相電圧を直接測定すると、システム内のすべての損失と PWM デッドタイム歪みの影響が含まれるため、より正確な結果が得られます。1 つの方法は、DC レールに対する 3 つの位相すべてを測定することです。3 つのユニポーラ入力絶縁型アンプと 1 つの絶縁型電源を使用して (図 3 を参照)、3 つの絶縁型アンプすべての高電位側に電力を供給します。

ハードウェア コストを節約する別の方法は、位相間の電圧を 2 つのみ測定し、3 つ目は計算することです。この方法では、バイポーラ入力範囲に対応した絶縁型アンプが 2 つで済み、ファームウェア側での追加作業も最小限になります。この 2 つの測定はいずれかの位相電圧を基準にして行われるので、図 4 に示すように、上の絶縁型ゲート バイポーラ トランジスタ (IGBT) のフローティング ハイサイド ゲート ドライバ電源から絶縁型アンプに電力を供給する必要があります。AMC3330 などの DC/DC コンバータを内蔵したデバイスを使用すると、回路を大幅に簡素化できるため、さらなるスペース節減とシステム効率の向上を実現できます。

これらの電圧測定のいずれでも、絶縁型アンプの入力範囲に一致するように、高電圧ノードを分圧抵抗でスケール ダウンする必要があります [4]。分圧抵抗回路を設計するときの一般的な課題は次の 3 つです。

• 検出抵抗を流れる絶縁型アンプからの入力バイアス電流により、オフセット誤差が発生します。
• 検出抵抗は絶縁型アンプの入力インピーダンスと並列に配置されるため、実効検出抵抗が減少し、ゲイン誤差が発生します。さらに、絶縁型アンプの入力インピーダンスは、プロセスのばらつきにより、デバイス間で ±20% 変動する可能性があり、これを考慮しないとゲイン誤差として現れます。
• 分圧抵抗と絶縁型アンプの入力インピーダンスの両方で温度ドリフトが発生します。

テキサス・インスツルメンツの絶縁型電圧検出アンプから、入力インピーダンスが高く、入力バイアス電流を無視できるデバイスを選択すると、これらの課題を克服するために必要な労力を大幅に削減できます。ただし、入力バイアス電流がある低入力インピーダンスの絶縁型アンプを使用しても、高精度の電圧測定回路を設計することは可能です [5]。

入力範囲が広い絶縁型アンプは、入力ノイズに対する感度が低く、低い入力レベルで高い精度を実現できます。ただし、入力電圧が高いデバイスでは、表 1 に示すように入力インピーダンスが低くなることが多いため、最高レベルの精度を実現するにはゲイン較正が必要です。高インピーダンス入力デバイスにより、較正なしの精度が向上し、設計の労力が低減されます。テキサス・インスツルメンツの絶縁型アンプの標準誤差と最大誤差の計算をデータシートの精度と比較する際の詳細については、[6] をご覧ください。