2018/09/28追記
本ページで紹介しているゲートドライバL6384E(DIP版)はどうやらディスコンになった模様です。SOP版については現状取り扱い終了の表示は出ていないので本記事を利用する場合はSOP版を使うまたは、一部仕様の変化を対処したうえでIR2302などほかのゲートドライバICの利用になると思います。
前回は、ゲートドライバICの全般的なお話をしてきましたが、今回は、実際にゲートドライバICを使った回路の設計のお話をしていきたいと思います。
まずは、今回使用するL6384E関連の資料を並べます。(STマイクロの資料はすべて英語です)
データシート:
アプリケーションガイド:
技術資料(ヒントとコツ)：
ブートストラップ回路の設計資料:
以上がSTマイクロの公式の資料です。
これに加えて、参考用にIR社のアプリケーションシートも紹介しておきます。
https://www.infineon.com/dgdl/AN-978.pdf?fileId=5546d46256fb43b301574c6029a97c36
こちらは日本語なので読みやすいかなと思います。
アプリケーションには設計に必要な情報がいろいろと書かれていますが、内容自体はとても難しいです。筆者も比較的重要だと思われる個所を主に読んで設計を行っています。（製品にするなら細かなところも必要だと思いますが、趣味レベルなら細かなところは無視してもいいかなと思っています。）筆者が重要だと考えている点は、ブートストラップ周りの部品選定と耐圧設計です。
まずは、ブートストラップ周りの部品を選びます。
初めはブートストラップコンデンサの選定です。
前回紹介した数式にて計算を行います。（STの技術資料(ヒントとコツ)にもリーク電流などを考慮した数式がありますが、今回はIRの数式を使うこととします。）使用するゲートドライバは前述のとおりL6384EでMOSFETは秋月で50円で売られている「EKI04027」を使います。また周波数はステッピングの最低パルス数を秒間100回として100[Hz]にします。(Qgは実使用が13Vでデータシートが10Vで大きな差がないので10Vで近似計算(あとで安全率を高めに見積もって打消))
また、Vccは13.5V ダイオードの順方向電圧降下を0.6Vとして計算をします。ローサイドのMOSFETの順方向電圧降下はわずかなので0として計算します。
これに安全率15をかけます。
計算結果としては3.3uFか4.7uF程度で十分ですが、積セラの容量低下と余裕を考慮して今回は10uFの積層セラミックコンデンサを使用することとしました。
次にダイオードの選定です。
電流値は以下の式で計算します。周波数は想定最大周波数の2kHzを入れました。
また、耐圧をリカバリ時間は前回の通り以下の式で表せます。
これより、安価なファストリカバリダイオードである「UF4007」を選定しました。
次に耐圧と動作電圧関係のお話です。
まずは耐圧の確認を行います。L6384Eのデータシートの４ページに書かれている最大絶対定格を見ます。
この表からVccの動作は範囲は-0.3~14.6Vであることがわかります。ゲートドライバに14.6Vを超える電圧を印可すると壊れてしまう恐れがあるので注意をしてください。この表記からゲートドライバの電源は14.6V以下なら何でもいいと思ってしまいます。しかし、実際には次の項目に注意しなければなりません。
データシートの7~8ページにまたがって書かれてる、DC operationの表に注目します。この表の上から2行目と3行目の「VCCth1:Vcc UV turn-on
threshold」と「VCCth2: Vcc UV turn-off
threshold」です。ゲートドライバICはVccに印加される電圧が下がった時には、回路保護のため出力を停止する機能が搭載されています。この2つの項目は電圧が下がった時に出力を停止させる電圧(Vccth1)と電圧が回復した時に出力を復帰させる電圧(Vccth2)を示しています。そのため、ゲートドライバICの電源電圧は「Vccth1:出力復帰電圧」以上「Vcc(max):最大定格電圧」以下である必要があるというわけです。これを守らないとゲートドライバが動かないあるいは、破損するといった事故が発生する恐れがあります。
話を絶対最大定格の表に戻します。最大絶対定格の表の一番上のVOUT端子の電圧特性を確認します。ここには-3~VBOOT-18 と書かれています。なぜ、これを注意しなければならないかというと、ローサイド側のMOSFETをONにした瞬間にアンダーシュートとしてVOUT端子に瞬間的に負の電圧が印可される場合があるからです。技術資料(ヒントとコツ)の１２ページやIRのアプリケーションシートの8ページにこのことの記載があります。VOUT端子に-3Vを下回る負の電圧がかかるとコンデンサが過充電となり、ハイサイドドライバの耐圧である18Vを超え、結果的にゲートドライバICが破損する恐れがあるというわけです。
アンダーシュートにより発生する電圧は技術資料（ヒントとコツ）に計算方法が書かれていますが、配線のインダクタンスが正しく計算するのが難しいので、オシロスコープなどを使って実測するのが正確だと思います。この計測結果は次回の記事で紹介したいと思います。
アンダーシュートを減らすためにはスイッチング速度を遅くすること、そして配線のインダクタンスを減らす方法の２通りがあります。
前者のスイッチング速度はMOSFETのゲート抵抗により決まります。ゲート抵抗を大きくするとスイッチング速度が遅くなりアンダーシュートが減らせますが、ほかにも不都合が生じる恐れがあるため注意が必要です。ゲート抵抗の選定については次回の記事で紹介したいと思います。
配線のインダクタンスを減らす方法はIRのアプリケーションシートの8ページから９ページにかけて記載があるので確認をしてください。ここに書かれている内容をまとめると以下のようになります。
・配線はできるだけ短くする
・ゲートドライバICとMOSFETはできるだけ近づける
・ブートストラップコンデンサの容量は0.47uF以上にする
・ゲートドライバの電源(Vcc)とGNDの間にブートストラップコンデンサの10倍以上の容量のコンデンサを入れる
これくらいのことをすればアンダーシュートは減らせるというわけです。特に最後のVccとGND間のコンデンサはゲートドライバ電源の瞬間的な電圧降下対策にもなるので入れることをお勧めします。
最大定格に関する項目で注意しなければならないのは以上だと思います。あえて言うと、
VBOOT端子の耐圧(主回路の耐圧)がありますが、ここの耐圧は600V程度あるので基本的に、問題になることはないと思います。
次に入力端子周りの設計を行います。
入力端子はINとDT/SD端子の2つがありそれぞれの入力は以下のように設計します。
IN端子
ハイサイド側のMOSFETをONにするか、ローサイド側のMOSFETをONにするかの切り替えを行う端子です。この端子にHが入力されるとハイサイド、Lが入力されるとローサイドがONになります。
内部的にプルダウン抵抗が搭載されており、外付けでプルダウン抵抗を取り付けなくても動作させることが可能です。ただし、抵抗値が非常に高いので状況に応じて外付けでプルアップ抵抗やプルダウン抵抗を取り付ける必要があります。（入力にフォトトランジスタ出力のフォトカプラを取り付けた場合は、外付けでプルダウン抵抗を取り付けないと立下り動作が遅くなりすぎて使いもになりません）また、入力がシュミットトリガになっているので入力状態の安定性が高くなります。
DT/SD端子
出力のシャットダウンとデットタイムの設定端子です。
出力をシャットダウン（ハイサイドもローサイドもOFF）したいときは、この端子に閾値を下回る電圧を入力します。データシートのDC operation の表の一番下に書かれているVdt（Shutdown threshold）を確認すると0.5Vと書かれています。つまり、この端子に0.5V以下を入力すれば出力がシャットダウンされるというわけです。なお、出力をシャットダウンすると、モータは開放状態となります。
デッドタイムの設定は、この端子をGND間に接続する抵抗値の大きさによって決まります。抵抗値の大きさとデッドタイムとの関係のグラフはデータシートの11ページの「Figure.7 Deadtime vs. resistance」に書かれています。
また、DC operations の下から２つ目のdt(Deadtime seting range)にも主要な抵抗値とデッドタイムの対応が書かれています。今回はデッドタイムを1[us]にするのでRdtは100[kΩ]を選定しました。
なお、この端子はデッドタイムの設定とシャットダウンを兼ねているので、両方の機能を使うためにはちょっと注意が必要です。シャットダウンを使用するためにトーテムポール出力になっているものを使用すると、デッドタイムの設定ができなくなります。そのため、オープンコレクタ出力のもの（フォトトランジスタ出力のフォトカプラなど）を接続する必要があります。
次に出力端子系の設計を行います。
VBOOT端子
ハイサイドドライバの電源端子です。この端子にはブートストラップコンデンサの+側を接続します。また、条件によりブートストラップダイオードを取り付けます。
内蔵のブートストラップダイオードの情報が、アプリケーションガイドの17ページに書かれています。内蔵のブートストラップダイオード（厳密にはDMOSを含むらしい）は外付けダイオードに比べてリーク電流が小さいという特徴がありますが、周波数が高くなると電圧降下が高くと記載があります。高周波の場合はアプリケーションシートの17ページ下部の数式で計算が必要な模様です。また、ブートストラップコンデンサの容量が大きい場合(1~2uF以上)も外付けのダイオードの使用が必要ととらえられる記載があります。そのため、今回は外付けでブートストラップダイオードを取り付けます。
HVG端子
ハイサイドドライバの出力端子です。ゲート抵抗を介してハイサイド側MOSFETのゲートに接続します。
VOUT端子
ハイサイドドライバの基準電位となる端子です。ブートストラップダイオードの-側を接続するほか、ハイサイド側MOSFETのソース端子も接続します。ハーフブリッジやフルブリッジの場合は自動的にローサイド側のドレイン端子とも接続することになります。
LVG端子
ローサイドドライバの出力端子で、ゲート抵抗を介してローサイド側MOSFETのゲートに接続します。
端子周りの設計はこのように行えばできるでしょう。では実際に設計した回路を紹介します。
今回筆者が設計したstepVVVFはコストカットのため入力のフォトカプラをトランジスタ出力のものを使っています。本当はもっと高速で動作する信号用のフォトカプラあるいはトーテムポール出力のフォトカプラを使用するべきですが、音楽を鳴らす周波数レベルでは問題がないためこのような構成にしました。接続は先ほどまでに紹介したとおりに接続を行っています。なお、MOSFET手前のRp1,2はMOSFETのプルダウン抵抗でドライバICの不具合などでゲートがハイインピーダンスとなった時に、確実にゲートの電位をソースレベルに落とすためのものです。
以上で、ゲートドライバICを使った回路の設計は終わりです。次回はMOSFETのゲート抵抗をオシロスコープの波形を見ながら選んでみたいと思います。
