組み込み回路 22 · パワーデバイスとモータドライバ

Chapter 22

パワーデバイスとモータドライバ

この章がなぜ必要なのか——モータは「回るか回らないか」だけの部品ではないから.

モータ駆動は、大電流・誘導性負荷・高 dV/dt が同時に来る、 組み込み回路で最も過酷な場面である。 ここまでの章（MOSFET・電源・アイソレータ）が全部効いてくる。

この章で使う既出の用語（定義は各リンク先）. インダクタ（02 章 7 節）、コンデンサ（02 章 7 節）、スイッチ（05 章 2 節）、導通損失（05 章 6 節）、制御（06 章 6 節）、大電流（06 章 6 節）、飽和（06 章 3 節）、インバータ（09 章 2 節）、コンパレータ（09 章）、応答速度（09 章 1 節）、温度（11 章 3 節）、発熱（11 章 5 節）、直列（11 章 2 節）、ボディダイオード導通（15 章 8 節）、直近（15 章 7 節）、突入電流（16 章 3 節）、簡単（17 章 3 節）、高分解能（17 章 3 節）、PWM（18 章 6 節）、プルアップ（19 章 7 節）、SPI（20 章 1 節）、コモンモード（20 章 5 節）、リンギング（20 章 3 節）、配線（20 章 7 節）、CMTI（21 章 2 節）、UVLO（21 章 5 節）、負バイアス（21 章 5 節）

1. パワーデバイスの選択

デバイス電圧範囲特徴用途
Si MOSFET〜200 V\(R_{DS(on)}\) で導通損失。低電圧で最強電池機器、車載 12/48 V、DC-DC
Si IGBT600 V〜電圧降下がほぼ一定（1.5〜2 V）。大電流で有利産業インバータ、エアコン、EV
SiC MOSFET650 V〜高耐圧でも \(R_{DS(on)}\) が小さい。高速・高温EV、太陽光、急速充電
GaN HEMT〜650 V極めて高速（\(Q_g\) が小さい）。ボディダイオードがない高周波電源、充電器、D 級アンプ

MOSFET と IGBT の使い分け

電流損失IGBT：V_CE × I（電流に比例）MOSFET：I² × R_DS(on)交点小電流：MOSFET が有利大電流：IGBT が有利
MOSFET は 2 乗、IGBT はほぼ比例。だから電流の大きさで有利不利が入れ替わる

近年は SiC が高耐圧領域で MOSFET を実用化し、この境界が動いている。

SiC / GaN を使うときの注意.

速いことは利点であると同時にリスクである。

問題内容
dV/dt が 50〜100 V/ns誤 ON、CMTI 不足、EMI
配線インダクタンスが致命的\(v = L\,di/dt\) でサージが跳ね上がる
ゲート電圧範囲が狭いGaN は \(V_{GS(max)}\) が 6 V 程度。オーバーシュートで即死
負バイアスが必要SiC は OFF 時に −2〜−5 V が推奨

レイアウトが Si より遥かにシビアである。 初めてなら、メーカの評価ボードのレイアウトを写すのが安全。

2. H ブリッジ——DC モータを正逆に回す

V_MQ1Q3MQ2Q4Q1 と Q2 を同時にオンにすると電源が短絡する（貫通）
正転は Q1+Q4、逆転は Q3+Q2、ブレーキは Q2+Q4。縦方向を同時にオンにしてはいけない
状態ON にするもの動作
正転Q1 + Q4左→右に電流
逆転Q3 + Q2右→左に電流
ブレーキ（ショートブレーキ）Q2 + Q4（または Q1 + Q3）モータを短絡。発電制動
フリー（コースト）全部 OFF惰性で回る

絶対にやってはいけない: Q1 + Q2 を同時 ON（縦方向の短絡 = 貫通）。

PWM のかけ方

方式内容特徴
サインマグニチュード片側を固定 ON、もう一方を PWM単純。リプル電流が大きい
ロックアンチフェーズ正転と逆転を PWM で切り替えるデューティ 50 % で停止。低速の制御性が良いが常に電流が流れる
同期整流OFF 期間に対角の MOSFET を ONボディダイオードでなく \(R_{DS(on)}\) で還流 → 効率が高い

ボディダイオード還流と同期整流.

ハイサイドを OFF にした瞬間、モータのインダクタンスが電流を維持しようとする。 この電流は ローサイドのボディダイオードを通って還流する。

ボディダイオードは \(V_F \approx 0.8\) V と大きく、逆回復も遅い（05 章）。 10 A 流れれば 8 W の損失。

同期整流（ローサイドを能動的に ON）にすれば、 \(R_{DS(on)} = 5\) mΩ で 0.5 W。16 倍の差。

現代のモータドライバ IC はほぼ同期整流を内蔵している。

H ブリッジの状態を切り替える

正転・逆転・ブレーキ・フリー、そして貫通。 それぞれで電流がどこを通るかを見る。

3. デッドタイム

上下の MOSFET が同時に ON になると貫通する。 だから、片方を OFF にしてから他方を ON にするまでに空白期間を入れる。

\[ t_{dead} > t_{off(max)} - t_{on(min)} + t_{skew} + \text{余裕} \]
成分内容
\(t_{off}\)MOSFET の turn-off 時間（ゲート放電 + 遅延）
\(t_{on}\)turn-on 時間
\(t_{skew}\)ドライバのチャンネル間ばらつき（propagation delay matching）
温度・個体差\(R_{DS(on)}\) や \(V_{th}\) の変動

目安:

デバイスデッドタイム
低電圧 Si MOSFET（12 V 系）50〜200 ns
高電圧 Si MOSFET / IGBT500 ns〜2 µs
SiC100〜500 ns
GaN20〜100 ns

デッドタイムのトレードオフ.

短すぎる長すぎる
貫通電流 → 発熱・破壊ボディダイオード導通が長く、損失増
出力電圧が歪む（デッドタイム歪み）
低デューティで制御性が悪化

モータ制御では「デッドタイム補償」というソフト処理で歪みを補正する。 ベクトル制御では必須。

測り方.

オシロで上下のゲート電圧を同時に観測する。 両方が \(V_{th}\) を超えている期間がゼロであることを確認する。

必ず最悪条件（高温・最大電流）で確認すること。 常温で 100 ns の余裕があっても、85 ℃ で消えることがある。

H ブリッジとデッドタイムを見る

PWM デューティ・デッドタイム・スイッチング時間を変えて、 ゲート波形、貫通電流の有無、出力電圧の歪みを見る。

4. ブラシレス DC モータ（BLDC / PMSM）

ブラシがないので、電子的に転流（コミュテーション）する必要がある。

V_MU+U−UV+V−VW+W−W3 相インバータ ＝ ハーフブリッジ 3 個
ブラシレスモータは、この 3 個のハーフブリッジで電子的に転流させる

3 相インバータ = ハーフブリッジ 3 個。

制御方式

方式内容特徴
6 ステップ（台形波）60° ごとに通電相を切り替える単純。トルクリプルが大きい、音がする
正弦波駆動各相に正弦波電流を流す滑らか・静か。位置検出の分解能が要る
ベクトル制御（FOC）dq 変換してトルクと磁束を独立制御最高性能。計算量が多い

位置検出

方法内容注意
ホールセンサ3 個で 60° 分解能6 ステップには十分。配線が増える
エンコーダ / レゾルバ高分解能高価。FOC に必要
センサレス（逆起電力）非通電相の BEMF ゼロクロスを検出停止時・低速では使えない。始動シーケンスが要る
センサレス（高周波重畳）高周波を注入してインダクタンスの異方性を検出停止時も可。IPM モータ向け

センサレス始動の難しさ.

逆起電力は回転速度に比例するので、停止時はゼロ。 位置が分からない。

一般的な始動シーケンス:

  1. 強制整列: 特定の相に通電してロータを既知の位置に引き込む
  2. オープンループ加速: 徐々に周波数を上げて引きずり回す
  3. クローズドループへ切替: BEMF が検出できる速度に達したら

2 → 3 の切替で脱調しやすい。 ここのチューニングが実装の山場。

負荷が重い、または位置が保持できない用途（エレベータなど）では センサレスは使えない。

5. ステッピングモータ

パルスの数だけ回る。位置決めが簡単。

駆動方式内容
フルステップ（2 相励磁）基本。トルクが大きい
ハーフステップ分解能 2 倍。トルクが変動する
マイクロステップ正弦波状に電流を分配。滑らか・静か。1/256 分割も

定電流駆動が必須である理由

ステッピングモータの巻線は \(R\) + \(L\) である。 電圧を印加すると、電流は \(\tau = L/R\) で立ち上がる。

\(L = 5\) mH、\(R = 2\) Ω なら \(\tau = 2.5\) ms。 高速回転では電流が定格に達する前に次のステップになる → トルクが落ちる。

解決: 定格電圧より高い電圧（例: 24 V）をかけて、 電流が目標に達したら PWM でチョッピングする。

\[ \frac{di}{dt} = \frac{V}{L} \]

24 V なら 12 V の 2 倍の速さで立ち上がる。

チョッピング方式内容
固定 OFF 時間単純。リプルが変動
固定周波数 PWM周波数が予測できる
スマートチューン系メーカ独自の適応制御。静音

ステッピングモータの実務.

項目内容
電流設定定格を超えると発熱で焼ける。VREF 抵抗またはレジスタで設定
脱調トルク不足・加速が急すぎ。加減速プロファイル（台形／S 字）が必須
共振特定の速度で振動する。マイクロステップで軽減
保持電流停止時も電流が流れて発熱する。保持トルクが不要なら下げる
静音化マイクロステップ + 適応チョッピング（TMC 系ドライバなど）

6. 電流検出

電流を測れないと、トルク制御も保護もできない。

方式位置特徴
ローサイドシャントブリッジと GND の間最も簡単。コモンモードが低い。ただし還流電流が見えない期間がある
インライン（相電流）シャントモータの相に直列常に相電流が見える。FOC 向け。コモンモードが高い（高側アンプが要る）
ハイサイドシャント電源とブリッジの間総電流。コモンモードが高い
ホール／磁気式センサ非接触絶縁されている。大電流向け。オフセットドリフト
\(R_{DS(on)}\) 検出MOSFET の電圧降下部品不要だが精度が悪い（温度で 2 倍変わる）

シャント抵抗の設計

\[ V_{shunt} = I \times R_{shunt},\quad P = I^2 R_{shunt} \]

\(I_{max} = 10\) A、\(R = 5\) mΩ:

\[ V = 50\ \text{mV},\quad P = 0.5\ \text{W} \]

50 mV をアンプで増幅して ADC に入れる。

選定のポイント内容
電圧を大きくノイズに強い。ただし損失が増える
電力定格ピークではなく実効値で。パルス耐量も確認
温度係数50 ppm/℃ 以下（マンガニン等）。一般の抵抗は 100〜200 ppm
インダクタンス高速では ESL が効く。専用の低インダクタンス品を
ケルビン接続（4 端子）必須。配線抵抗を含めない

ケルビン接続の重要性.

ケルビン接続（4 端子）シャント抵抗大電流検出 +検出 −検出線は抵抗体の直上から取るはんだやパターンの 1 mΩ が乗ると、5 mΩ のシャントでは 20 % の誤差になる
電流経路と検出経路を分ける。これをやらないとシャント抵抗の精度は意味を持たない

シャントが 5 mΩ なのに、はんだやパターンの抵抗が 1 mΩ 入れば 20 % の誤差になる。

必ず 4 端子品を使い、検出配線は抵抗体の直上から差動で引く。

電流検出のタイミング

PWM で駆動しているので、いつ測るかが重要である。

電流を「いつ」測るかPWM電流PWM の中央でトリガすると平均値が取れるスイッチング直後はリンギングが乗るので、ブランキング時間を置く
「電流検出の値が暴れる」の最頻出原因はサンプルタイミング。PWM 同期の ADC トリガを使う

PWM の中央（またはリプルの中点）で ADC をトリガする。

多くの MCU のタイマは PWM と同期した ADC トリガを持っている。 これを使わないと、値が周期的に暴れる。

スイッチング直後は測ってはいけない.

スイッチングのリンギングが収まるまで（数百 ns〜µs）待つ。 ブランキング時間と呼ぶ。

「電流検出の値が暴れる」の最頻出原因がこれである。

7. 保護

保護方法応答速度
過電流（OCP）シャント + コンパレータ → 即座に PWM を切るµs オーダが必要
短絡DESAT 検出（IGBT）、\(R_{DS(on)}\) 検出1〜2 µs 以内に切る
過熱（OTP）サーミスタ、IC 内蔵ms オーダ
過電圧回生電圧の監視。ブレーキチョッパms
低電圧（UVLO）ゲート電圧不足での中途半端な ON を防ぐ—
失速検出電流と速度から判定ソフト

ハードウェア保護は必須である.

ソフトの割り込みでは間に合わない。 コンパレータの出力でタイマの出力を直接止める機能 （BRK / BKIN / Fault 入力）を使う。

多くの MCU のアドバンストタイマは、 外部の Fault 信号で PWM 出力を即座にハイインピーダンスにする ハードウェア機構を持っている。必ず使うこと。

回生電圧に注意.

モータを減速させると、モータが発電機になって電源に電流を戻す。

電源が電流を吸えない（ダイオードで整流している、LDO の後ろなど）と、 電源電圧が上昇する。

M減速中発電した電流C_BUSV_M が上昇する耐圧を超えるとコンデンサが破裂する
減速時、モータは発電機になる。電源が電流を吸えないと、その分だけ母線電圧が上がる

対策:

8. レイアウトとノイズ

モータ回路は基板上で最大のノイズ源である。

規則理由
パワー段のループ面積を最小に\(v = L\,di/dt\)（15 章と同じ）。VM のコンデンサをブリッジの直近に
パワー GND とシグナル GND を分離大電流のリターンがアナログに乗る（共通インピーダンス）
1 点で接続する（スターグラウンド）ループを作らない
シャントの配線は差動で、最短で微小電圧を扱う
ゲート配線を短くループがあると発振・誤 ON
モータ線をツイスト／シールド放射を減らす
スイッチノードの銅箔は必要最小限放射源
MCU をパワー段から離す放射結合

「モータを回すと MCU がリセットする」の切り分け.

疑い確認方法
電源の落ち込みMCU の VDD をオシロで見る。突入電流でモータ電源が落ちていないか
グラウンドバウンスMCU の GND とパワー GND の間の電位差を見る
放射結合モータ線を離す／シールドすると改善するか
回生電圧減速時に VM が上がっていないか
リセットピンのノイズNRST に 100 nF + プルアップがあるか

多くの場合、電源とグラウンドの設計が原因である。 モータ電源と MCU 電源を別系統にして、GND は 1 点で繋ぐのが基本。

9. モータドライバ IC を選ぶ

分類内容
統合型（MOSFET 内蔵）〜数 A。部品が少ない。DRV8833、TB67H450 など
ゲートドライバ + 外付け MOSFET数 A〜数百 A。設計自由度が高い
インテリジェントパワーモジュール（IPM）3 相分 + ドライバ + 保護が一体。エアコン・産業用
専用ステッピングドライバマイクロステップ・静音制御内蔵。TMC 系、DRV8825 など
選定で見る項目内容
電圧範囲回生とサージを含めて。12 V モータでも 40 V 品を選ぶことが多い
電流連続とピークを分けて見る
\(R_{DS(on)}\)（統合型）損失と発熱に直結
制御インタフェースPWM/PH-EN/独立、SPI 設定の有無
保護機能OCP / OTP / UVLO / 失速検出
電流検出内蔵か外付けか、位置はどこか
デッドタイム固定か設定可能か
熱パッケージと \(\theta_{JA}\)（16 章）

まとめ

ポイント内容
デバイス選択低電圧・小電流 = MOSFET、高電圧・大電流 = IGBT、高速高効率 = SiC/GaN
SiC/GaN の注意速さはリスク。配線インダクタンス・\(V_{GS}\) 上限・負バイアス
H ブリッジ正転／逆転／ブレーキ／フリー。縦短絡は絶対禁止
同期整流ボディダイオード（\(V_F\) 0.8 V）→ \(R_{DS(on)}\)。十数倍の損失差
デッドタイム短い = 貫通、長い = 歪みと損失。高温・最大電流で確認
BLDC6 ステップ / 正弦波 / FOC。位置検出が要る
センサレス停止・低速で使えない。始動シーケンスが山場
ステッピング定電流駆動が必須。\(di/dt = V/L\) なので高電圧 + チョッピング
電流検出ローサイド／インライン／ホール。ケルビン接続は必須
検出タイミングPWM 中央で ADC をトリガ。ブランキング時間を取る
保護ハードウェアで PWM を止める（BRK 入力）。ソフトでは間に合わない
回生減速でモータが発電する。電源電圧が上がる。吸収するか逃がす
レイアウトパワーループ最小・GND 分離 1 点接続・ゲート配線短く
リセット問題電源降下／グラウンドバウンス／放射／回生を順に切り分ける

ここまでで第 VII 部（インタフェース）は終わり。 次章からは第 VIII 部——実装。 すべての設計が最後に基板の上で試される。