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パワーエレクトロニクスのための電子回路の基礎

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パワーエレクトロニクスのための電子回路の基礎

  1. 1. Analysis and design of analog/digital/power-mixed circuits パワーエレクトロニクスのための 電子回路 山本 健司 Sensible Analog Circuit Lab.
  2. 2. 前書き この講座では、モータ制御をするための回路構成に的を絞 り、実際の設計のための基礎知識の習得をめざします。 現在ではパワーエレクトロニクス回路はマイクロコントロー ラ(MPU)で制御されている例がほとんどです。このために MPUを中心にして回路設計方法を説明します。 ADCおよびDACを含むMPUの内部構成に関しては、外部と のインターフェイス部分の回路構成方法について説明します。 また、センサーとのインターフェイスに必要なオペアンプ回路 の基礎について説明します。 講座の目標としては、このような解説をとおして、実務の設 計の回路図やプリント基板設計などに現れるいろいろなトポ ロジーがどうしてそのように設計されているのかを理解できる ようになることを目指します。
  3. 3. 1.パワーエレクトロニクス回路の構成 2.マイコン入出力回路の基礎 アナログピン入出力回路 デジタルピン出力回路 外部回路との接続(レベルシフト回路) 3.オペアンプ(演算増幅器)再入門 オペアンプ コンパレータとの比較 オペアンプを使ったレベルシフト回路 4.AD変換器 DA変換器 サンプル&ホールド回路の特性(ゼロ次ホールド回路) 折り返し雑音の抑制(アンチエイリアスフィルタ) 5.マイコンと周辺回路とのインターフェイス ホールセンサ入力 レゾルバインターフェイス 各種センサとMPUの接続 6.フォトカプラとのインターフェイス フォトカプラとマイコンのインターフェイス 7.ゲートドライブ回路 ゲートドライブ回路の基礎 IGBTゲートドライブ用フォトカプラの使用例 8.ワンシャント型電流測定法 9.容量型エンコーダについて .まとめ パワーエレクトロニクス技術講座 電子回路の基礎 内容
  4. 4. 1.パワーエレクトロニクス回路の構成
  5. 5. パワーエレクトロニクス回路の構成 高電圧モーターは 絶縁を介してMPU とインターフェイスす る 低電圧モーターはレ ベル・振幅変換回路 を介してMPUとイン ターフェイスする MPUはゲート信 号を出力し、電 圧・電流情報を 入力する ゲート信号 ゲート信号 パワー回路 パワー回路 TI社サイトより抜粋 http://www.tij.co.jp/solution/jp/motor_control_brushless_dc
  6. 6. 2.マイコン入出力回路の基礎
  7. 7. ADCは電圧入力型がほとんど。DACは電流出力型の場合がある。Vref 入力あるいはアナログ用電源電圧を基準にしてADCもDACもスケーリン グする。 入力電圧ViがVrefのとき,最大値となる。 入力 信号 S/H ADC MPU ADC 入力 端子 マイクロプロセッサのアナログ入出力端子構成 DAC DAC 出力 端子アナログ回路電源あ るいはVref入力端子 出力 信号 マイコンのアナログピン入出力回路
  8. 8. S/H MPU ADC 入力 端子 2 複数チャンネルのマイクロプロセッサのADC入力回路部 分 入力信号1 S/H ADC 入力 端子 1 ADC 入力信号2 サンプル・アンド・ホー ルド(S&Hあるいは S/H)と、ADCが組み込 まれていることがほとん どである。ADCが逐次 追従型であると、ホール ド回路が必須であること と、S/Hのスイッチがマ ルチプレクサのスイッチ としても機能し、多チャ ンネル化ができることか らこの構成が好まれる ものと思われる。 MPUのADコンバータ入力端子の例
  9. 9. デジタル出力電圧の定 義(パラメトリック試 験方法) SH7085(ルネサステクノロジー)のハードウェアマニュアルから抜 粋 MPU デジタル出 力ピン V 電圧計 定電流 源 出力電圧測定条件(IOL, IOH)を決める 出力電圧を読む ①出力レベルをMPUが定める ②定電流源で出力電流(IOL、IOH)を定める ③電圧計で出力電圧を読む 入力ピンは設計上問題になることはほと んどないので省略 マイコンのデジタルピン出力回路の仕様例 (周辺回路の駆動のための基本情報)
  10. 10. MPUに信号をつなげるには アナログ信 号 G +15V -15V アナログ信 号 G +15V -15V デジタル信 号 デジタル信 号 MPU ? +3.3 V ●MPUのハードウェアマニュアル の入出力仕様を参照する ●各ピンの絶対最大定格電圧値を 何があっても越えない設計をする。 ●想像力を膨らませて、システムの あらゆる状態においても絶対最大 定格を越えないようにする ●電源系統が違う(MPUは3.3V電 源で、アナログ回路は+/-15Vで動 作している場合など)場合は特に注 意する。 ☆すべての電源が同時に立ち上が るわけではない ☆ひとつの電源系統が落ちてしまい、 他の電源系統が生きている場合も ありえる ★これらの場合は、ラッチアップを起 こす電流が発生する
  11. 11. 内部回路 すでに立 ち上がっ た+15 V電源 すでに立 ち上がっ た-15V電 源 まだ立ち 上がらな い3.3V 0 V +15 V -15V ラッチアップ電流の経路 R ラッチアップ 電流制限抵抗 増幅器 MPU ラッチアップ電流の 例 ラッチアップ電流の考慮 ●ラッチアップ電流の例 電子部品の入出力端子には、 内部回路保護用のダイオード があるので、電源電圧が不確 定な状況にあるときに過大な 電流が流れる場合がある。こ の電流がある程度を超えると その部品がラッチアップ状態 (つまりもとに戻らない)となり、 過大な電流が流れ続けること になり、素子の破壊につなが る。 ●対策 ラッチアップに達する条件は 電流値で決まる。電流制限抵 抗を図のように挿入することで ほぼ対策できる。 ラッチアップ耐性については ICベンダーとよく相談すること が必要。
  12. 12. 内部回路 3.3 V R ラッチアップ 電流制限抵抗 基板上 の保護 ダイ オード MPU 基板上保護回路の例 基板上 の保護 ダイ オード外部入出力端 子 ユーザーに開放する端子での考慮 ●ユーザーが必要に応じて 外部回路と接続する端子で は、積極的に保護回路を設 置する必要がある。 ●できるだけ大容量のダイ オードを使うと安全になるが、 ダイオードの漏れ電流が無 視できなくなることがあるの で、漏れ電流の少ないダイ オードを選ぶ。 ●保護用抵抗も大きいほう が安全になるが、直流電圧 降下と周波数特性への考慮 が必要。 ●どんな場合(たとえば落 雷)でも回路を保護できる保 護回路は作れないので、コス トとの相談をする。
  13. 13. ADC入力のレベルシフト回路の例 被測定電流 +5V -5V R1 R2 電流センサ 電圧出力 -2V ~+2V(例) 電圧出力 0 ~+K*4V MPUのADC入力へ 2電源型電流センサと 5V電源MPUとのイン ターフェイス例 R 3 K<1 電流セ ンサ出 力電圧 (V) 0 AD C入 力電 圧 (V ) 1/2Vref Vref 2電源型のセンサの出力をMPUのADC入力にインターフェイス する場合、抵抗ネットワークによるレベルシフトが簡単で便利 振幅は減衰してしまう。 抵抗値は重ね合わせの定理を使って計算するとよい。 ゲインが必要な場合は、オペアンプの項で説明します。
  14. 14. TI社HP http://www.analog.com/jp/high-speed-op-amps/fet-input- amplifiers/products/index.html#HS_FET_Input_Stage_Amps 3.オペアンプ(演算増幅器)再 入門 演算増幅器とよばれてはいるが、単に増幅率が非常に大きい増幅 器 ●入力インピーダンス無限大 ●ゲイン無限大
  15. 15. Ideal Operational amplifier 出力端子 +入力端子 -入力端子 Vi+ Vi- Vo VV 理想演算 増幅器 Vd = (Vi+) - (Vi-) [V]0 Vo [V] Vdがマイナスの無限大から、 プラスの無限大に変化する ときのグラフ(太線)の向 き 理想演算増幅器とは、入力端子に加えられた電位差の差分 (差動電圧)に対して、出力電圧が無限の増幅率を持つもの。 演算増幅器再入門 理想演算増幅器 −∞ −∞
  16. 16. 現実の演算増幅器(出力は無限大にならない) +電源 -電源 出力端 子 +入力端子 -入力端子 Vi+ Vi- V o VV 現実の 演算増 幅器 OP AMP + - Vd = (Vi+) - (Vi-) [V]0 Vo [V] Vdがマイナスの無限大から、 プラスの無限大に変化する ときのグラフ(太線)の向 き 電源電圧と内部 回路構成によっ て決まる電圧 現実に作ることができる演算増幅器は、振幅に限りがある。電源電圧と、内 部回路構成によって振幅は決まる。 増幅度も有限であるので、増幅度を持つ部分(Vd=0V辺り)でのグラフの傾き も有限であるが、ここでは理想演算増幅器と同様に無限大の増幅率を持つ ものとして描いた。
  17. 17. 演算増幅器で演算をする (1)ボルテージフォロワ + - V Vi+ Vo Vo = Vi Vi- Vi 図のように接続すると、入力電圧Vi+によって生じた 入力端子間電圧のためにVoは+か-の無限大に向 かって増加しようとするが、Voは-入力端子に接続さ れているため、+入力端子と-入力端子の電圧が等 しくなる電圧に落ち着く。つまり、Vo=Viとなり、出力電 圧が入力電圧と等しくなる。 (1)ボルテージフォロワの特徴 ●増幅率=1倍 ●オペアンプの入力端子に入力電圧が直接入 力されるので、入力インピーダンスが高い
  18. 18. 演算増幅器で演算をする (2)非反転増幅器 + - V Vi+ Vo Rf Ri Vi- Vi 図のように接続すると、入力電圧によって生じた 入力端子間電圧のためにVoは+か-の無限大に向 かって増加しようとする。VoはRfとRiで構成される 電圧ディバイダに接続されており、Voはここで分圧 されて-入力端子に入力されているため、+入力端 子と-入力端子の電圧が等しくなる電圧にVoは落ち 着く。つまり、Vi+=Ri/(Ri+Rf)*Voとなり、RfとRiで 構成される電圧ディバイダの出力電圧(Vi-)が入力電 圧と等しくなるところである。このとき、 Vo=(Ri+Rf)/Ri*Vi=(1+Rf/Ri)*Vi (2)非反転増幅器の特徴 ●増幅率=1倍以上, 1+Rf/Ri ●オペアンプの入力端子に入力する電圧は直接 接続されるので、入力インピーダンスが高い。
  19. 19. + - V Vi+ Vo Rf Ri Vi- Vi 図のように接続すると、入力電圧Viによって生じた入力 端子間電圧のためにVoは+か-の無限大に向かって増加し ようとする。Voは、-入力端子電圧Vi-が+入力端子電圧 Vi+(すなわちゼロボルト)と等しくなるところで出力電圧 は落ち着く。Vi-=0Vであるので、Riに流れる電流をIriとす ると、 Iri=Vi/Ri であり、Vi-をゼロボルトに維持するにはこの電流をすべて オペアンプがVo端子から引き込まなくてはならない。(オ ペアンプの入力端子はインピーダンスが無限大なので、電 流がまったく流ない) したがって、Rfに流れる電流をIrf とすれば、 Irf=Iri=Vi/Ri であり、出力電圧Voは-入力端子電圧Vi-(すなわちゼロボ ルト)から、Rfの電圧降下分 Irf*Rf=Vi/Ri*Rf だけ-側に下がった電圧となる。よって、 出力電圧Voは、 Vo=0-Rfの電圧降下分= -Rf/Ri*Vi よって増幅率Vo/Viは、 Vo/Vi=-Rf/Ri 演算増幅器で演算をする(3)反転増幅 器 (3)非反転増幅器の特徴 ●増幅率=-Rf/Ri, 電圧の符号が反転するのといとわなければ、絶対値1倍未満も 可能 ●Riの向こうはゼロボルトであるので、入力インピーダンスはRiとなる。
  20. 20. + - V Vi+ Vo Rf Ri Vi- V_in- Rf Ri V V_in+ 図のように接続すると、入力電圧V_in+と、V_in-の 電位差を増幅できる。 線形回路であるので、2つの入力電圧のうちひとつ をゼロボルトとし、もうひとつの入力電圧について 出力電圧を計算し、もう一方の入力電圧について も同様にして足し合わせれば出力電圧が求まる。 結果のみ示すと、 Vo = (V_in+ - V_in+)*Rf/Ri となる。 演算増幅器で演算をする (4)差動増幅器 (4)差動増幅器の特徴 ●差動増幅率=-Rf/Ri, 絶対値1倍未満も可能 ●入力インピーダンスは同じではない。 V_in+に対しては(Ri+Rf) V_in-に対してはRi
  21. 21. +電源 -電源 出力端子 +入力端子 -入力端子 Vref V o コンパ レータ 基準電圧Vrefは抵抗分 圧回路や、基準電圧IC などで設定する。 被測定電流 電流センサ Vin0 Vo [V] 設計によって決定 されている電圧値 Vref コンパレータの応用例(過電流検出回路) コンパレータの動作波 形 コンパレータは、パワーエレクトロニクス回路においては過電流、過電圧の検 出に使われる。MPUがADCによってこのような異常事態を検出していたのでは 必要な処置が間に合わない。このような場合への対処として、コンパレータの出 力が直接ハードウェアの安全機構をトリガするように設計する。 コンパレータ再入門1 (応用例)
  22. 22. +電源 -電源 出力端子 +入力端子 -入力端子 Vref Voコンパ レータ 基準電圧Vrefは 抵抗分圧回路や、 基準電圧ICなど で設定する。 被測定電流 電流セン サ Vin 0 Vo [V] 設計によって決定 されている電圧値 Vref DC動作のみを見た場合、コンパレータの動作はオペアンプの動作 と同じである。違うのは動的動作波形である。(次ページ) コンパレータ再入門2 (演算増幅器との比較)
  23. 23. オペアンプとコンパレータの動作 波形 (Vin+) - (Vin-) < 0 0 Vo [V] Vref t [s] (Vin+) - (Vin-) > 0 入力電圧が反転す る 0 Vo [V] Vref t [s] 0 Vo [V] Vref t [s] 入力差動電圧の時 間波形 オペアンプで電圧 比較をした場合 コンパレータで電 圧比較をした場合 復帰時間 Td オペアンプがあまっているか らと、コンパレータの代わりに 使ってもうまく動作しない。バ イポーラ型の場合にはそもそ も差動電圧範囲が決められ ており、動作が保証されない が、オペアンプを電圧比較に 使うと、復帰時間が大きくか かり、実用性に乏しくなる。 オペアンプの種類によっては、 ラッチアップしてしまい、電源 を入れなおさないと復帰でき ないものもある。
  24. 24. オペアンプを使ったレベルシフト 回路 被測定電流 +5 V - 5V R3 電流セン サ 電圧出力 -1V ~+1V (例) MPUのADC入力 へ R 2 R4 R3=R4 + - R5 R6 + - R7 R1 + - R5=R6 R7=R2 Gain=- (R2/R1) Rr 電流セン サ出力電 圧(V)0 ADC 入力電 圧 (V) 1/2Vref Vref MPUのADC電源が5V(VrefあるいはAVDDなど)で、ゲイン(1以下も 可能)を持たせる場合 Rrはラッチアップ防止用抵抗(メーカーの推奨があればそれに沿って 挿入する。)
  25. 25. MPU Singnal Conditioner アナロ グ電圧 ADCへの入力部分回路構成のまと め Signal conditioner(アナログ信号処理部分)の機能 ●レベルシフト ●増幅/減衰 ●絶縁(レベルシフト / 同相電圧除去 / 人体安全) ●フィルタ機能(信号帯域制限) 絶縁とフィルタ機能についてはこれから学習します
  26. 26. 3.AD変換器とDA変換器
  27. 27. 入 力 信 号 S/ H ADC MPU ADC 入力 端子 マイクロプロセッサのアナログ入出力端 子構成 DAC DAC 出力 端子Vref入力端子 出 力 信 号 MPU内蔵のADCはゼロ次ホールド回路と理想サンプラの組み合 わせで理解する必要がある。 DACの作り出す波形の特性はADCが取り込む波形の特性と同じ MPUのADC、DACの動作
  28. 28. AD変換器再入門 量子化誤差 ルネサステクノロジー社SH7080マイコン シリーズハードウェアマニュアルより抜 粋 連続的なアナログ電圧を数値化 するので、量子化誤差が発生する。 図は理想的な10ビットAD変換器 の静特性である。図中で理想A/D 変換特性(分解能が無限であり、 直線で表されている)と、実際の デジタル出力(階段状の波形)と の差が量子化誤差である。 これはADCが持っている特性で あって、これ以上誤差を小さくは できない。量子化誤差が理想的な ダイナミックレンジ(あるいは S/N比)を決定する。 10ビットADCの理想 的な特性
  29. 29. ADコンバータのダイナミックレン ジ ダイナミックレンジとは、識別可能な最小レベルの信号と、正常に取り扱える最 大の信号レベルの比。現実の回路には雑音(ノイズ)があるので、雑音のレベル を識別可能な最小信号のレベルとして考える。 0 レベル 雑音 信号ダイナ ミック レンジ ダイナミックレンジの定義(周波 数軸) f 理想的なダイナミックレンジ(正弦波の場合,ノイズは量子化ノイズのみ) S/N [dB] = 6.02N + 1.76 (N:ビット数) ただし、この式は許容最大振幅の正弦波を扱った場合である。信号レベルの確率密 度が一様である場合は、第一項のみとなる。
  30. 30. 量子化 誤差 微分非 直線性 積分非 直線性 信号の高調波 n x fs, n=2,3,.. 折り返し雑音 入力 信号 S/H Freq. Level 1/2fs以下に抑える 必要がある 存在していることを 認識する A/D変換器の性能指標 0 AD・DA変換器の特性として知っておくべきこと S/Hと、ADC,DACの性 質から発生するノイズを挙 げて、設計上の注意点を考 えます。 電子部品(主に抵抗と半 導体)が発生するノイズや、 外来ノイズはここでは論じ ません。また、A/D変換器 の性能指標としての微分お よび積分非直線性もここで は取り扱いません。 量子化誤差についてはす でに述べました。 次に,S/Hの特性について 調べていきます。
  31. 31. ここでは、工学的な理解のあいまいさには目をつぶって、大雑把なサンプ ルアンドホールド(S/H)回路の動作を追って見ます。まず、S/H回路を理想 サンプラとゼロ次ホールド回路にわけて考えます。 入力 信号 S/H 出力 信号 理想サンプラ部 分 ゼロ次ホールド部 分 サンプリング定理(標本化定理) とゼロ次ホールド回路
  32. 32. 理想サンプラの動作 入力 信号 出力 信号 理想サンプラ部 分 f (t ) f*(t) 0 f (t ) 0 f*(t) f (t ) 0 f (t ) 0 F*(f) F(f) t t f f サンプリング間隔 Ts fc fs 2fs 3fs fs = 1/Ts
  33. 33. ゼロ次ホールド ゼロ次ホールド部分 コンデンサひとつでこの動作をできるわけではなく、ホール ド回路の動作はこの前にあるスイッチと不可分であるが、便 宜的に次のホールドコンデンサ部分が、ひとつ前のサンプル 値を次のサンプリング時点まで保持するとする。 Freq. Level 0 ゲインだけ描くと、下図のようにな る。最初にサンプリング周波数fsで ゲインがゼロになり、2*fsでまたゼ ロになる。 関数形は Ts*sin(π*f*Ts)/(π*f*Ts) である。この特性がサンプラ波形出 力に掛け算される。
  34. 34. S/Hの周波数特性 入力信号 S/H 出力信号 f(t) fo(t) 0 f (t ) 0 f*(t) f (t ) 0 f (t ) 0 F*(f) F(f) t t f f サンプリング間隔 Ts fc fs 2fs 3fs fs = 1/Ts 0 fo(t) 0 Fo(f) t f サンプリング間隔 Ts fs 2fs 3fs fs = 1/Ts
  35. 35. 入力信号 出力信号 理想サンプラ部分 f (t ) f*(t) 0 f (t ) 0 f*(t) f (t ) 0 f (t ) 0 F*(f) F(f) t t f f サンプリング間隔 Ts fc fs 2fs 3fs fs = 1/Ts 一つ上のサンプリング周波数の整数倍の周波数からスペクトラムが折り返してくるように見える ので、これを折り返し雑音と呼ぶ。対象としている波形の周波数スペクトラムの上限(fc)が、サン プリング周波数の半分の周波数以上にあると、fsの回りに存在するサンプラ波形の高調波が重 なりあってしまい、ローパスフィルタを使っても元の波形を復元できない。この状態をエイリアシン グ(Aliasing)と呼ぶ。これはサンプリング定理あるいは標本化定理としてよく知られている現象で ある。従って、S/H回路にアナログ波形を入力する前にフィルタを挿入して、fs/2以上の周波数 成分を十分減衰させておく必要がある。 折り返し雑音による波形の歪
  36. 36. ~ 計測 対象 電圧ディ バイダ R R ADC MPU S/H 折り返しノイズを防ぐために フィルタを構成する。 折り返しノイズによる波形の歪はADCされた後では取り 除けないので、ADCの入力前段でフィルタを挿入する。 ADC入力回路の設計例
  37. 37. 5.MPUと周辺回路とのインター フェイス
  38. 38. ホールセンサとのインターフェイ ス 旭化成HP http://www.asahi- kasei.co.jp/ake/jp/product/hall_ic/principle.html より抜粋 ホールIC MPU 3.3V 5V プルアップ 抵抗 ラッチアッ プ防止抵抗 ホールセンサICはブラシレスモーターのローター角度検出に使われる。 電源電圧がMPUと異なるホールセンサ ICを使う場合には図のようにラッチアッ プ電流制限抵抗を設ける
  39. 39. (*)多摩川精機㈱シングルシンカタログhttp://www.tamagawa-seiki.co.jp/pdfj/1570n9ej.pdf から抜粋 レゾルバセンサー部分 レゾルバ(モーターのローター位 置検出)
  40. 40. Resolver ✖ ✖ DAC出 力 ADC1 ADC2 MPU ✖ AD633などのアナ ログマルチプライ ヤ LPF LPF R1 R2 S1 S2 S3 S4 励振コイ ルドライ バ レゾルバインターフェイスの基本回路 MPUのDAC出力からキャリア信号(10KHz程度)を出力し てレゾルバを励振する。SinとCosのセンシング出力(Sn)を キャリアで同期検波し、フィルタでDC成分のみを取り出す。こ れをADCで検出し、arctangent(ADC1/ADC2)から角度を計算 する。LPFの設定を適切に行わないと角度エラーの原因にな る。
  41. 41. レゾルバインターフェイスの波形 励振波 形 t 0 COS乗 算器出 力 t 0 SIN乗 算器出 力 t 0 COSマ グニ チュー ド SINマ グニ チュー ド 励振波 形 f[H z]0 fc fc : 励振周波数 [Hz] センシ ングコ イル波 形 f[H z]0 fc+fm fm : モーター回転 数[Hz] fc-fm f[H z]0 fm 乗算器 出力波 形 2*fc+f m 2*fc- fm f[H z]0 fm フィル タ出力 波形 2*fc+f m 2*fc- fm ●時間軸波形 乗算器波形の平均値がレゾルバの示 す角度の情報になる。COS情報とSIN 情報からarctan関数で角度を計算する ●周波数軸波形 フィルタ出力に乗算器出力の高周波成分 (2*fc±fmの成分)が残留すると、これが 角度読み取り誤差の原因になる
  42. 42. レゾルバ専用復調 IC 励振用信号発生器、励振コイルドライバ、角度計算機能、断線検出が組み 込まれている。パラレル、シリアル、またはABZ信号で出力できる。 レゾル バ 多摩川精機 スマートコーダカタログhttp://www.tamagawa-seiki.co.jp/pdfj/1653n1j.pdf より抜粋 MPU 多摩川精機製AU6803
  43. 43. 最大のCMRR(Common Mode Rejection Ratio)を 得る R Resolver Rfix 半固定抵抗と固定抵抗を追加して、CMRRを最 大にする工夫をする。ただし、半固定抵抗を調 整する工程が増える。
  44. 44. 半固定抵抗の調整方法 SG R Rfix SGから励振周波数と同じ正弦波を発生させて、S2とS4に接続する。SINMNTを 観測しながら、これが一番小さな振幅になるように半固定抵抗を調整する。S1 とS3についても同様にする。これによって入力部分の作動増幅器のコモンモー ド除去比が最大になり、モータまわりからのノイズへの耐性を上げることができ る。
  45. 45. (*)多摩川精機㈱シングルシンカタログhttp://www.tamagawa-seiki.co.jp/pdfj/1570n9ej.pdf から抜粋 (*) R 1 R 2S 1 S 3S 2 S 4 Resolver Sensor 図のように、各回路ごとに撚り対線(Twisted pair cable)で 配線し、モーター駆動電流などによる磁力線ノイズからの影 響を防ぐ。 レゾルバセンサと復調ICの配線
  46. 46. MPU 基板 ホー ル セン サ 電流 セン サ 電源線、出力線をすべ て一緒に撚るか、信号 ライン用グランドが個 別に提供されている場 合はそれらを別々に撚 る GND MPU電 源 電源+ 電源GND 信号 線 信号 GND Sensor 信号 GNDシールド設置の場 合 電源+ 電源GND Sensor 信号 線 3本一緒に撚る 電源GND シールド設置の 場合 電源線GNDと信号線GNDが別に提供されている場 合 電磁ノイズを最小にする各種センサとMPUの 接続方法 GNDが電源と信号で共通の場合
  47. 47. 5.フォトカプラとのインター フェイス
  48. 48. フォトカプラが代表的な信号絶縁部品 光で信号を伝送するので、電気的絶縁ができる 他に、GMR(Giant Magneto Resistive effect)を応用したり、微小容 量越しに変調された高周波キャリアを伝送する方式がある。 フォトカプラ製品の例(東芝) RX LED VDD 2 OUT GND 2 浮遊容量Cs 一般的なフォトカプラの構成 信号絶縁素子
  49. 49. RX LED VDD2 OUT GND2 BUF F R MPU VDD1 GND1 絶縁 GND2GND1 ~ VCM × GNDループが切れて いる 磁束 フォトカプラの使用例とその効果 フォトカプラによって、2つのグランドが切断される。これにより、コモ ンモード電圧VCMの影響がなくなり、磁束に回路がさらされても、磁束が コモンモード電圧・電流を発生することがない。
  50. 50. 6.ゲートドライブ回路
  51. 51. アバゴテクノロジー社 ACPL-3130/J313, ACNW3130データシートより抜粋 http://www.avagotech.co.jp/docs/AV02-0156EN フォトカプラを使ったインバータのゲートドライブ 回路 フォトカプラによって、コモンモードノイズの低減を計る。 アーム上部のパワーデバイス駆動に関してはレベルシフト機能を提供する。フォトカプラ 製品はUL規格等の安全規格準拠品があるので、そのような製品を使えば製品の安全性も満 たされる。 フォトカプラの機能 ●コモンモードノイズ抑 圧 ●レベルシフト ●人体への安全性確保
  52. 52. 時間 (S) 電位(V) ゲート(G)電位 エミッタ(E)電位 0 遅れ時間 遷移時間ΔT コモンモード電圧の アーム上部 IGBTのON指令 時刻 変化量ΔV アーム上部パワーデバイス駆動回路におけるコモ ンモード電圧の発生
  53. 53. フォトカプラ内部のコモンモード電流の 通り道 フォトカプラ内部の浮遊容量Csがコモンモード電流のとお り道になる。流れる電流は、 Ic=Cs*dVc/dt Vc:コモンモード電流(フォトカプラの入出力間にかかる電 圧) Ic:コモンモード電流 RX LED VDD2 OUT GND2 浮遊容量Cs (*)東芝社HP http://www.semicon.toshiba.co.jp/product/opto/selection/cou pler/index.html より抜粋 (* )
  54. 54. フォトカプラの構造 フォトカプラの断面図 浮遊容量CcとCa Ca<Cc 受光IC 光 LE D LEDの実装方 向 リードフレーム(回路要素の設置と、基板への半田付けに 使われる アノードへのボンディング ワイヤ Ca Cc
  55. 55. ゲートドライブ用フォトカプラ回 路の誤動作 RX LED VDD2 OUT GND2 回路B回路A GND1 Ca Cc 電流制 限抵抗 R フォトカプラ コモンモードノイ ズ源 Vc フォトカプラの応用例。浮遊容量Ca,Cc,および電流制限抵抗R
  56. 56. コモンモード電圧の侵入経路 LED GND2GND1 Ca Cc 電流制 限抵抗 R コモンモードノイ ズ源 Vc
  57. 57. コモンモード電圧の侵入経路2 LED GND2 GND1 Ca Cc 電流制限抵抗 R Vc:コモンモードノイズ源 Vc A C Pa Pc Iled Pa経路と、Pb経路で インピーダンスが違 うので、LED電流Iled に影響をおよぼす。 LEDが消灯している ときにVcの影響で点 灯したり、LEDが点灯 しているときに消灯し てしまうことがある。 ⇒IGBTの誤動作に つながる
  58. 58. コモンモード電流をLEDに流れ込ませないためには LED GND2 GND 1 Ca Cc R a Vc:コモンモードノイズ源 Vc Va Vc Iled Rc Xca = 1 jwCa Xcc = 1 jwCc V a Xca = Ra + Ra Vc Xcc = Rc + Rc Xca Xcc Ratio = * Cc Ca > 1 Rc = Ratio Ra Vc Ratio*Xcc = Ratio*Ra + Ratio*Ra = Xcc = Ra + Ra = V a RcRa +=R A点の電圧Vaと、C 点の電圧Vcを一致さ せればLEDには電流 が流れないので、電 流制限抵抗RをRaと Rcに分割し、さらに それらの関係を、 Rc=Ratio*Ra とする。このとき RatioはCcのCaに対 する比である。 この条件を満たすと Va=Vcとなるので、 LEDへの電流をなく すことができる。
  59. 59. Desaturation detection Gate drive Miller Cancelling 多機能型ゲートドライブフォトカプラの配線方法 ゲートドライブICの各機能ごとに電流の帰り道(リターンパス)を個別にパ ターンを設置する。こうすると誤動作しにくい。 となりのゲートドライブ回路とも同様にリターンパスを分離する。パターンに 切れ目を入れるだけでも大きな効果がある。 ●Desaturaion detection パワーデバイスが飽 和していない状態を検 出する。短絡状態か、 ゲート信号の不良であ るので、ゲート信号を 下げる。 ●Gate drive パワーデバイスの制 御 ●Miller Canceling パワーデバイスが導 通からカットオフに向 かうときにコレクタノー ドから注ぎ込まれる電 荷によってゲート電圧 が持ち上がるのを防ぐ
  60. 60. 7.ワンシャント型電流測定法 エアコンなどの家電製品ではコストを抑えるためにホール素子などの電流測定部品を使わ ず、インバータのDCレイルに挿入したシャント抵抗(これは過電流検出のためにもともと設 置されている場合が多い)の電圧降下を測定することによって、モーターの電流を推測する。 参考文献 参考文献 「1シャントを用いたブラシレスDCモータの3相巻線電 流再現手法」、学生員 中原 康晶上級会員 高橋 久((当時)職業 能力開発総合大学校 (現)静岡理工科大学) 電気学会回転機 研究会 2007.7.8.3
  61. 61. ワンシャント線電流検出方 式 Vdown Vup WupUup Udown Wdown
  62. 62. 相巻線電流再現手法 PWM信号と電流検出原理 Uup,Vup,Wupは インバータアーム上部の MOSFET をON/OFFする信号である。 インバータからモータへ 流れる電流を正とし, モータからインバータへ 流れる電流を負とする。
  63. 63. モータのU相への電流が測定できる状態 の部分が
  64. 64. モータのU相からの電流が測定できる状 態 の部分が
  65. 65. 相電圧指令値(三相交流) (a) 相電圧指令値
  66. 66. Vu Vv Vw Uup Vup Wup Uup Vup Wup is 1 1 1 1 10 0 0 0 0 0 1 1 1 10 0 0 iu iu -iw -iw 1 1 0 -iw 電流測定時間関係 図の詳細 Vvが他の電圧指令 値の中間にあるとき 電圧が他の2つの相 の間にある相の電流 が得られない。他の2 つの相の電流から計 算する。 相電圧指令値と、ゲート信号(PWM信号と考え てよい)、シャント抵抗で得られる電流値
  67. 67. Vu Vv Vw Uup Vup Wup Uup Vup Wup is 1 1 1 10 0 00 1 1 1 10 0 -iw 1 -iw-iw 2つの相電圧が 等しい状態 W相の電流しか 測定できない。 U相とV相の電流 の情報がない状 態になる。 2つの相の電圧指令値が等しいとき、 それ以外の相の電流情報しか得られ ない
  68. 68. シングル・シャント電流検出について ○エアコンなどではすでに応用されているようです。 ○比較的新しい技術なので、設計時に知的財産 法上の問題がないか確認してください。 ○電流が測定できない事態を避けるための特許も あり、PWM波形のタイミングをずらすなどの工夫が されているようです。 ○ここでは、変調用三角波のタイミングをずらす方 法を説明します。この方法も関連特許があります。 設計時には注意してください。
  69. 69. シングルシャント方式によるモータ電流推定における キャリア位相変化による常時モータ電流の推定方法の検 討 Uup Vup Wup Uup Vup Wup is 0 0 0 0 1 0 11 1 0 -iw 1 1 0 -iw WnWn Logic State 1 0 -iw 1 0 0 iu UpWn Vu Vv Vw Vuc Vvc Vwc 1 1 1 1 1 0 iv Vp -iv Vn 3つの相電圧が互 いに異なっている とき キャリアの位相を UVWごとに2/3π ずつずらしたとき すべての相電流 がキャリアの1周 期で測定できる。
  70. 70. シングルシャント方式によるモータ電流推定における キャリア位相変化による常時モータ電流の推定方法の検 討 Uup Vup Wup Uup Vup Wup is 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 -iw Wn Logic State 1 1 -iu 1 0 0 iu UpWn Vu Vv Vw Vuc Vvc Vwc 1 1 1 1 1 0 iv Vp -iv Vn 2つの相電圧が等 しいとき キャリアの位相を UVWごとに2/3π ずらしたとき ひとつのキャリア波 形ではひとつの相 電流しか測定でき なかったが、これだ とすべての相電流 がキャリアの1周期 で測定できる。
  71. 71. 最新静電容量型エンコーダ の技術的動向
  72. 72. 最新静電容量型エンコーダの技術的動向 1. 最近になって、静電容量型のロータリエンコーダが市場に 出回るようになった。 2. 従来レゾルバや光学的エンコーダが独占していた市場に切 り込もうとしている。 3. まだ回転速度がレゾルバには追いつかないが、角度精度 はほぼ同じである。 4. この資料では、Netzer社とCUI社の製品を例にして、その原 理や構造を公開されている資料を使って説明することを試 みました。
  73. 73. Netzer社DS-25絶対角度ロータリーエ ンコーダ
  74. 74. CUI社AMT203-V絶対角度ロータリーエンコーダ 入力電圧 (V) 4.5 – 5.5 分解能 12 bit 出力電圧 natural binary, TTL level 仕様
  75. 75. クワドラチャ波形 基本的な発想 斜線部分は偏心した導体。 各波形への容量が変化し、 これをプロダクト検波す れば、角度が求まる。
  76. 76. しかし、移動体には電気的接続をした くないーーースリップリングは短寿命 これは簡単ではない。4枚の電極の駆動波形が 矩形波であると、演算増幅器182はかなりの帯 域をもたないともくろみ通りに動作しない。 演算増幅器182は、電極198をバーチャル グランド化する。これは電極190を駆動して行 う。バーチャルグランド化された電極は偏心し た電極195(移動体)にすべて隠れている。1 95は電極198をグランドレベル一定にするた めに、一定の電位に保たれる。195は導体で あるので、全面にわたり同じ電位に保たれる。 これにより、電極190,191,192は電極19 5により電極196に対して有効に遮蔽される。
  77. 77. CUI社エンコーダ 移動体は電気的接続のないプリント基板 しかもこの移動体のプリント基板上の銅箔パ ターンの電位を安定させる回路はない。
  78. 78. クワドラチャ波形を加えると、移動体 の電位は一定し、安定した静電シール ドとなる 90° 0° 180° 270° 90° 270° 0° 180°
  79. 79. Netzer社DS-25の空間変調体は誘電体 誘電体であっても、クワドラ チャ電界は電位を固定するこ とができ、受信機への各相か らの結合分を有効に変調でき る。
  80. 80. 静電容量型ロータリエンコーダの技術的背景 1. 低容量を計測できる、低バイアスOPアンプが安くなっ た 2. CMOSロジックICが高速化し、タイミング精度が向上し た 3. MPUの計算パワーが上がった‐‐‐非線形性を補正で きる 4. クワドラチャ検波方式を使えば、その送信電極からの 電界により、空間変調体(移動体)のポテンシャルを 固定でき、軸方向の変位に対する感度を抑圧できる ことが(わかって)実証された
  81. 81. 静電容量型ロータリエンコーダの今後 ローコスト化 高速回転への対応 アナログ回路、補正演算回路の両方の高速化 低速あるいはほぼ静止型への応用(絶対位置検 出が可能であるので)→ローコスト・小型
  82. 82. 1.パワーエレクトロニクス回路の構成 2.マイコン入出力回路の基礎 アナログピン入出力回路 デジタルピン出力回路 外部回路との接続(レベルシフト回路) 3.オペアンプ(演算増幅器)再入門 オペアンプ コンパレータとの比較 オペアンプを使ったレベルシフト回路 4.AD変換器 DA変換器 サンプル&ホールド回路の特性(ゼロ次ホールド回路) 折り返し雑音の抑制(アンチエイリアスフィルタ) 5.マイコンと周辺回路とのインターフェイス ホールセンサ入力 レゾルバインターフェイス 各種センサとMPUの接続 6.フォトカプラとのインターフェイス フォトカプラとマイコンのインターフェイス 7.ゲートドライブ回路 ゲートドライブ回路の基礎 IGBTゲートドライブ用フォトカプラの使用例 8.ワンシャント型電流測定法 9.容量型エンコーダについて 9.まとめ ご質問等は、 yamaken@erqii.com までください。 パワーエレクトロニクス技術講座 電子回路の基礎 内容

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