JAJT384 November 2024 DRV8161 , DRV8162
製造業でさらなる自動化が進み、消費者がこれらのシステムを家庭に実装するようになる中、ロボット市場は成長を続けています。企業は、工場や倉庫で製造システムを自動化し、ロボットが人間とより協調する将来に適応し始めています。
ロボットを設計するエンジニアは、数百種類のロボット システムが存在することを理解しています。図 1 に示すように、数ワットの電力で動作する小型で便利なコボットから、自律移動型ロボットやヒューマノイド ロボット、さらには最大 4kW 以上で動作する大型産業用ロボットまで、さまざまなロボットがあります。
図 1 コボット、移動型ロボット、ヒューマノイド、産業用ロボットには、電力レベル 10W〜4kW 以上のさまざまな形状とサイズのものが存在ロボット メーカーは、高度なシステムを開発する際に、設計上のいくつかの課題に直面します。上記のロボット アプリケーションでは、通常 48V レールを使用し、2kg〜40kg のペイロードをサポートします。さらに負荷の大きいシステムを設計する場合は、より大きい電力レベルに対応できるように、機械的要因と設計上の影響の両方を考慮する必要があります。電流が大きくなると、電磁干渉 (EMI) または高いスイッチング損失により、システム性能が低下する可能性があります。ロボットは多くの場合、人間のいる環境で使用されるため、機能安全も重要な要素です。製造現場でも消費者の家庭でも、必要に応じて安全にシャットダウンするシステムを設計することは非常に重要です。
テキサス・インスツルメンツの DRV8162 のようなスマート シングル ハーフブリッジ ゲート ドライバを採用すると、大電力と広い電圧範囲に耐える統合型システムを製作する柔軟性を確保しながら、EMI を低減し、各種機能安全規格に準拠できます。
広い電力レベルに対応できる設計
テキサス・インスツルメンツのスマート ゲート ドライバは、当社の IDRIVE 調整可能ゲート ドライブ電流方式により、さまざまなレベルのゲート電流にわたって MOSFET のスルーレートを制御します。DRV8162 には、図 2 に示すように、制御用に 16 の調整可能な粒度設定があり、MOSFET および最終アプリケーションに合わせて選択できます。IDRIVE の詳細については、『スマート ゲート ドライブについて』を参照してください。
図 2 DRV8162 の 16 個の IDRIVE 設定、プログラマブルなシンク / ソース比を活用することで、外付け受動部品を排除し、設計を簡素化式 1 を使用して、MOSFET のゲート ドレイン チャージ (Qgd) の仕様、およびMOSFET のドレインとソースの間の最大電圧における立ち上がり / 立ち下がり時間を使用して、システムに最適な IDRIVE 設定を推定できます。これらの値は、システムの性能要件によって異なります。
使用中のデバイス内で IDRIVE がゲート ドライブ設定の近くにない場合、ゲート電流要件を達成するために追加の受動部品 (ゲート抵抗を含む) が必要になります。これらの追加部品は、部品表 (BOM) 全体のコストとプリント基板 (PCB) のサイズの増加につながり、コボット、移動型ロボット、ヒューマノイド関節の設計小型化において懸念となる可能性があります。
競合ハーフブリッジ ゲート ドライバを使用する場合、固定電流または 2〜4 個のディスクリート設定のみが可能であるため、外部ゲート抵抗が必要になります。DRV8162 ドライバの 16 個のゲート ドライブ設定と、プログラム可能なソース / シンク比を活用すると、外付け受動部品を排除し、設計を簡素化する柔軟性を得ることができます。
広範な Qgd をサポートしているため、異なる MOSFET を搭載した、低電力、中電力、大電力のさまざまなロボット プラットフォームでこのドライバを使用でき、各システム内のゲート ドライバの設計を変更する必要はありません。DRV8162 のソース / シンク ゲート電流は、それぞれ 16mA および 32mA に設定でき、最大 1024mA および 2048mA に設定できます。たとえば、48V システムで 1V/ns のスルー レートを使用すると、Trise/Tfall は 48ns と計算できます。この結果、デバイスでサポート可能な MOSFET Qgd は 0.77nc/1.54nC〜49.15nC/98.30nC の範囲となります。
システム性能を向上
DRV8162 のシングル ハーフブリッジ アーキテクチャにより、3 相統合型ゲート ドライバよりも FET の近くに配置できます。図 3 に示す 2 つの円形 PCB 設計は、3 相ハーフブリッジと単相ハーフブリッジの実装を比較しています。
図 3 3 相ゲート ドライバを実装した MCU、ドライバ、FET 搭載の円形 PCB 設計 (左)、シングル ハーフブリッジ設計 (右)ゲート ドライバを FET の近くに配置すると、トレース長が短縮され、信号の整合性が向上し、ゲート ノードとソース ノードの寄生成分が低減されます。パスを短くすると、トレースのインダクタンスの影響を低減し、リンギングと EMI の低減にも役立ちます。
また、DRV8162 は 20ns のデッドタイムでシステム効率と音響特性を向上させることができ、動作パルス幅変調のデューティ サイクル範囲を拡大して速度範囲を広げると同時に、モーターに供給可能な電圧も増大させます。デッドタイムが短いため、ダイオードの導通損失も最小限に抑えられ、システム効率が向上し、モーター電流の歪みが低減されるため、可聴ノイズが低減されます。これにより、システム全体の性能と効率が向上します。
ロボティクスの STO
多くのロボットが人間の近くで動作するので、電源入力の欠損、電力サージ、短絡が発生した場合にシステムをシャットダウンすることが不可欠です。モーター ドライブ アプリケーションでデバイスのトルクが予測できない場合、危険な状況を招く可能性があります。一部の機械は重負荷を伴う産業環境で動作するため、予期しない起動を防止するだけでなく、安全にシャットダウンできることが重要です。
国際電気標準会議 (IEC) 61800-5-2 規格では、回路設計でセーフ トルク オフ (STO) と呼ばれる安全機能が定義されており、これによりモーターへの電力供給を防止します。DRV8162 とテキサス・インスツルメンツの DRV8162L には分割電源アーキテクチャが組み込まれており、システムへの STO の実装に役立ちます。
大電力の設計では、『統合型モーター ドライブ向け、48V、4kW 小型フォーム ファクタ、3 相インバータのリファレンス デザイン』 (TIDA-010956) を参照してください。このリファレンス デザインは、48VDC 入力、85ARMS 出力電流の DRV8162L を採用しています。図 4 に示すように、このデザインには、提案された STO コンセプト、並列 FET、大電力、シングル ハーフ ブリッジ ゲート ドライバが含まれています。
図 4 テキサス・インスツルメンツの 3 相インバータのリファレンス デザイン (TIDA-010956)まとめ
ロボット向けの既存のモーター設計は、安全要件を満たすためにディスクリート実装を使用しているため、基板サイズと部品表 (BOM) が増加します。あらゆる形状とサイズのロボットの効率と安全性を向上させるには、DRV8162 のような小型で安全な統合型ゲート ドライバが必要です。新しいスマート シングル ハーフブリッジ ゲート ドライバを使用すると、電力を 10W〜4kW 以上の範囲でスケーリングできると同時に、PCB のサイズの小型化、性能と安全性の向上に貢献します。また、今後長期にわたってロボットの革新を加速する柔軟性も提供します。
その他の資料
- 『3 相とシングル ハーフブリッジ ゲート ドライバの比較』アプリケーション ブリーフ (資料番号 SLVAFZO) を参照してください。
- STO の詳細については、『産業用固定ロボットおよび移動ロボットの安全な電力実装のために電圧監視機能を統合』ホワイト ペーパーを参照してください。
- DRV8161EVM 評価基板を注文して、30A、3 相ブラシレス DC ドライブ段の設計を開始してください。
商標
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