今日の多様化した電動工具市場では、バッテリー電圧とトルク要件の範囲が広いため、サポートする製品の範囲が限られるさまざまなプラットフォームを使用する設計になることがよくあります。計画されているさまざまな製品に対応するために業界全体で単一のプラットフォームを使用すれば、研究開発スケジュールの時間とコストを大幅に削減できます。Allegro MicroSystemsのシニア フィールド アプリケーション エンジニアであるCharles Keeferによるこの記事で詳細をご覧ください。
電動工具のラインナップには、12 V ～ 24 Vの範囲をカバーするものもあれば、12 V ～ 60 Vの範囲をカバーするものもあります。芝刈り機も含めると、範囲は80 Vまで拡張できます。バッテリーの動作電圧が高くなると、環境がより厳しくなり、ドライバ出力段に大きな負の過渡現象が発生するため、低電力および高電力のモーター ドライバ チップの寄せ集めから引き出された複数のプリント回路基板 (PCB) 設計が必要になります。市場で入手可能な電動工具設計の全範囲をカバーする共通のブラシレスDC (BLDC) またはハーフブリッジ ドライバ チップにより、新しい電動工具の開発と製造に必要な時間と労力が削減され、ソフトウェア開発時間とPCB設計/テスト サイクルが統合されます。
市場にあるあらゆる種類の電動工具に対応できる単一のプラットフォーム設計では、それらのデバイス全体で最大電圧の全範囲に対応できる必要があります。多くのモーター ドライバー デバイスの最大電源電圧は40 Vしかありません。このため、ほとんどの24 Vまたは36 Vシステムでは、モーターの動作中に電動工具の電圧供給で発生する可能性のある厳しい電圧過渡に耐えられる堅牢な設計を実現するための十分な余裕がありません。これらの過渡現象に耐えられる、より広い電源電圧範囲を備えたスタンドアロン ゲート ドライバ (以下で説明する50 V以上のゲート ドライバなど) を使用すると、システム設計者は、広範囲の電動工具バッテリーにわたって共通設計による時間とリソースの節約を実現できます。
高出力の48 V、60 V、または80 Vシステムの場合、統合型3相BLDCのソリューションは少なくなります。コンパクトな高電圧ハーフブリッジを使用してボード全体に電力を分配すると、必要な電動工具の設計がより簡単に実現できるようになります。超小型3 mm × 3 mm DFNパッケージの100 Vハーフブリッジは、この目標の達成に役立ちます。幅広い供給電圧範囲により、単一のPCBアーキテクチャを備えた小型の12 Vドリル モーターまたはより強力な80 Vストリング トリマーでの使用が可能になり、低電力ツールのコストを節約するために、必要な電力レベルに応じてさまざまなMOSFETを交換できます。
高級電動工具は、多くの場合、長時間の動作や頻繁で急速な高出力バーストを伴う動作をサポートします。また、ピークトルク定格は、通常2000 rpmで計算すると1200 in-lbまたは130 N∙mを超えることもあります。一方、バッテリー駆動の芝刈り機は、必要なトルクは少ないものの、長時間の高速運転が求められます。つまり、共通プラットフォームのゲート ドライバーは、12 V、30 kWピーク電力ドリルと80 V、4.5 kW芝刈り機の両方を駆動できる必要があります。2つのツールの共通トルク定格を電力に変換すると、ドライバーが対応する必要があるスパンは次の式で示されます。
出力 [kW] = (トルク [N∙m] × 速度 [rpm])/9550
高出力ドリルピーク例:
出力 = (130 N∙m × 2100 rpm)/9550 = 27.6 kW
低電力で長時間稼働可能な芝刈り機の例:
出力 = (12 N∙m × 3500 rpm)/9550 = 4.4 kW
上記の電力レベルによって、特定のシステムで使用するドライバとMOSFETが決まります。
ほとんどのドライバのゲート駆動電圧は7 V ～ 13 Vの範囲です。これらのデバイスで一般的に使用されているMOSFETの一部では、総ゲート電荷が公称10 Vで大幅に異なります。薄型40 V DFN MOSFETの総ゲート電荷は65 nCですが、100 V MOSFETの総ゲート電荷はわずか35 nCです。ツールラインナップの全電力スペクトルをサポートするには、平均Vを考慮する必要があります。登録 ドライバがMOSFETのゲートに供給してMOSFETをオン状態に保持できる電流。
MOSFETがミラー領域を素早く通過できるように、最大ソース電流とシンク電流も考慮する必要があります。ただし、パルス幅変調 (PWM) 駆動周波数とMOSFETサイズの制限要因は、ドライバがゲート ドライブに供給できる平均電流になります。必要な平均Vを決定する式登録 与えられたPWM周波数でMOSFETをオン状態に保持するために必要な駆動電流は次のようになります。
Iavg [mA] = 駆動するMOSFETの数 × fPWM [kHz] × QG(tot) [nC] × 1000
例えば：
I(100V_FET,AVG) = 6 × 20 kHz × 35 nC × 1000 = 4.2 mA
I(40V_FET,AVG) = 6 × 20 kHz × 65 nC × 1000 = 8 mA
I(80V_FET,AVG) = 6 × 20 kHz × 140 nC × 1000 = 17 mA
駆動されるMOSFETの数はドライバ方式によって変わります。正弦波ドライバの場合は6個、台形ドライバの場合は2個、2相正弦波ドライバの場合は4個が使用されます。この例では、駆動周波数を可聴範囲外に保つために20 kHzが使用されています。
PWM周波数と平均VREG電流
図1: 共通ドライバIREG機能のグラフと、さまざまなPWM周波数で6つの35 nC MOSFETのオン状態を維持するために必要な電流の計算。
さらに多くのMOSFETオプションが存在し、合計ゲート電荷の値は無限です。重要な点は、どのシステムでも、設計者はドライバを選択する前に、平均VREGドライバ電流に影響を与えるコンポーネントの相互作用に対処する必要があるということです。10 Vで合計ゲート電荷が65 nCのMOSFETを使用すると、20 kHzで駆動されるIREG平均電流が15 mAのドライバは、強力なゲート ドライブに十分なマージンを提供します。同じ設計を低電力ツールに使用すると、MOSFETを、総ゲート電荷量が高くID定格が低いデバイスと交換できます。
図2: 高性能モーター ドライバーにより、柔軟なPCB設計が可能になります。
12 V ～ 80 Vの範囲にわたるシステムには、高出力の18 Vドリルと80 V芝刈り機をサポートする、より高い電源定格のドライバが必要です。適切な統合型3相BLDCドライバの選択肢は限られていますが、高性能な100 Vハーフブリッジのセットがニーズを満たす可能性があります。Allegro A89500は、30 kWまたは4 kWシステムを駆動できる100 V定格のハーフブリッジです。ピークシンク電流とピークソース電流は、MOSFETをオン状態に素早く切り替えるのに十分な高さであり、外部抵抗器を使用して簡単に設定できるため、非常に柔軟で堅牢な電磁両立性 (EMC) 設計が可能になります。独立したゲート ドライブ電源は、高電流100% デューティ サイクルの状況でMOSFETをオン状態に維持するために必要なすべての電流をサポートします。
図3: 12 V ～ 80 Vの範囲にわたるシステムには、高出力の18 Vドリルと80 V芝刈り機をサポートする、より高い電源定格のドライバが必要です。
電動工具システムの設計における次の考慮事項は、ドライバーの堅牢性です。高トルクモーターによって生成される大きな過渡現象のある過酷な環境ではどのように動作するのでしょうか?ドライバーが、ピーク電力定格30 kWのモーターを制御するMOSFETを切り替えると、必ず大きな正と負の過渡パルスが発生します。システム設計者は、MOSFETブリッジ電源に多数のコンデンサを配置するか、クラス最高の過渡保護を備えたドライバを選択してPCBスペースとBOMコストを節約することができます。Allegroの電動工具ゲート ドライバー ポートフォリオ (定格50 VのA4919や定格100 VのA89500など) は、回路に直接組み込まれたクラス最高の負の過渡保護を提供します。A89500のハイサイド ゲート ドライバ出力は、-18 Vから最大100 Vまでの短時間過渡の位相接続電圧に耐えることができます。A4919とA4915 (40 V未満のツール用の同様のサイズのデバイス) は電動ツールの一般的なオプションであり、位相接続でもクラス最高の負の過渡堅牢性を実現します。この市場向けの他の選択肢は位相接続で -8 Vまで堅牢ですが、多くのベンダーはグランド下の約2 Vしかサポートできません。これらの堅牢性の低いソリューションでは、より過酷な高出力ツール用に別のPCB設計が必要になったり、電動工具市場の低出力側では不要な強力な保護回路が必要になったりします。
図4: Allegroおよび他のベンダーのゲート ドライバーの位相接続過渡堅牢性と最大電源電圧定格。
さまざまなツールをサポートする設計に最適なドライバーを決定するには、システム インテグレーターはいくつかの質問を考慮する必要があります。ラインナップにあるすべてのツールのバッテリー電圧範囲はどれくらいですか?どのくらいのサイズのMOSFETが必要になりますか?追加の保護回路を組み込む余地はありますか、それともゲート ドライバーに組み込むことはできますか?システムが何であれ、電動工具の設計に共通のプラットフォームを実現できるデバイスが現在利用可能です。A4919は、40 V未満のほとんどのシステムをサポートできる堅牢なゲート ドライブ回路を備えた小型のダイレクト ドライブ ゲート ドライバです。A4915は、40 V未満のツール向けの同様のサイズのデバイスで、モーター ドライブ制御ロジックとともに統合されたホール効果センサー電源とフィードバックを備えています。A4915の組み込み制御ロジックは、モーター制御アルゴリズムの負荷を軽減するシンプルなインターフェースによりスペースを節約します。12 V ～ 80 Vの範囲にわたるツール ポートフォリオの場合、小型で高性能なA89500ハーフ ブリッジが最適な選択肢であり、総ゲート電荷量の高い高出力MOSFETや小型のマルチパック低出力MOSFETを簡単に駆動できます。これらすべてのデバイスにより、システム設計者は電動工具のラインナップを単一のPCBに凝縮することができ、テスト時間を節約し、ソフトウェア リソースの負荷を軽減し、開発を迅速化できます。