ブートストラップ電源で駆動し高い精度を持つ 電流センシング I C IR2171 インターナショナルレクティファイアージャパン株式会社 髙木 秀人 ■概要 IR2171 は、IR の高耐圧技術を使用しモノリシックで 構成された電流検出用 IC です。 ッチングされており、その様な高速高電圧でスイッチ ングされている部分にて微小電圧を取り出すことは非 図 1 は、一般的なインバータ出力段の構成と各部分 常に難しい事でした。この様な部分で電流を検出する で測定した場合の電流波形を表しています。通常、モ 為には高価で大型な電流センサや、リニアフォトカプ ータに流れている電流を検出するには、インバータ出 ラ等を使用した付属回路を設ける必要がありました。 力、GND ラインなど、さまざまな部分にて電流を検出す IR2171 はその様な高電圧でスイッチングされている る事ができますが、インバータ出力以外の部分で電流 部分でも正確に微小電圧を検出し、ロジックレベルで を検出した場合、実際にモータに流れている電流と同 出力が可能な 1 チップの IC となっています。その中に じにする為には検出した信号を加工する必要がありま は高精度のオペアンプ、A/D コンバーター、レベルシフ す。しかし、インバータ出力で検出すれば一番正確に タを内蔵しており、40kHz の PWM で出力されます。2 次 電流が検出でき、また加工する必要もなくなります。 側電源はゲートドライブのブートストラップ電源を共 その為、この IR2171 はインバータ出力ラインで直接電 用することができ、また出力はデジタル出力の為、直 流が検出できる様に考えられ設計されています。 接 DSP 等で取り込む事が出来ます。パッケージは 一般的にインバータ等のモータ駆動回路は図 1 の様 に 3 相ブリッジ回路で構成されています。その為、イ SOIC(8pin、16Pin)と DIP(8pin)の 3 タイプが用意され ています。 ンバータ出力は常に高い電圧と低い電圧が高速にスイ 一般的なインバータ出力段 モータ ＜図１＞主なインバータでの測定部分別電流波形 ■特徴 項目 ①ハイサイドオフセット ボルテージ ハイサイドオフセットボルテージ 600V 600V(max) Vin 入力電圧レンジ ②モノリシック構造 ③PWM 出力 仕様 -260∼+260mV 出力周波数 40kHz ④低消費電流の為、ブートスト ラップ電源で駆動 ⑤温度ドリフトが小さい 40kHz 出力 Duty 範囲 7%∼93% VBS 消費電流 1mA(max) アウトプット電圧 20V(Max) ロジック電源 ⑥オープンドレイン出力 9∼20V ＜表１＞主な仕様 表 1 は IR2171 の主な仕様です。 項目 実力値 単位 0.2 % 0.0003 %/℃ トータルオフセット 0.5 mV トータルオフセット温度ドリフト 20 ｕV/℃ ゲインエラー 1 % ゲインエラー温度ドリフト 35 ppm/℃ 0.06 % バンド幅(-3db) 15 kHz 位相(1kHz) -10 ° リニアリティ リニアリティ温度ドリフト ■動作原理 図2 に内部ブロック図を示しま す。 シャント抵抗に電流が流れる 事によって電圧が発生し、その電 電源変動影響:PSRR(1Vp-p、6kHz) 圧が入力端子(Vin＋と Vin−端 子)から高精度OP アンプに入力さ れ、増幅されます。その後 A/D 変 ＜表２＞テスト結果 換され40kHz のPWM信号となりパ ルス発生回路に送られます。パル VB ス発生回路では二つのパルスに 変換され、その信号は二つの P- Vcc パルス発生 回路 チャンネルレベルシフタを通し てレベルダウンされます。レベル PO ダウンされた二つの信号はパル A/D 変換 OP アンプ パルス復元回路 & dv/dtフィルタ COM 図 3 に応用回路を示します。 ＜図２＞内部ブロック図 この応用回路はインバータの出 力段とコントローラの主な構成 を表しています。これは IGBT の ゲートドライバに IR2137(IR 製： ハイサイド側に IGBT の過飽和検 出機能を持っている)を、電流検 出に IR2171 を使用しています。 Vｉｎ- ＶＳ ス復元回路で再度PWM 信号として 復元し、出力されます。 Vｉｎ+ また、コントローラには 簡単な回路構成でモータ電流で TMS320C240(TEXAS INSTRUMENTS の制御はもちろん、どんな短絡モ 製)のDSP を使用してIR2171 の出 ードでも保護をかける事ができ 力を直接 DSP に入力しています。 ます。 この様な構成を取る事によって、 この様に多機能になっても使 せるためD/A 変換を行っています が、実際には D/A 変換を行う必要 速度 2500rpm/DIV はなく、直接 DSP 等で読み込む方 法が使えます。 電流センサ出力 & IR2171 出力 5V/DIV ■今後 今回は IR2171 について紹介し ましたが、オーバーカレント出力 を持った電流検出 IC(IR2172)も モータ電流 10A/DIV リリース予定です。また、ゲート ドライブIC ではIGBTの保護機能 を持った IR2137、その他ソフトス ＜図４＞動作波形 タート IC(IR1110)もリリースし ています。この様に今後 IR では 用部品点数を少なくする事がで き、あわせてトータルコストを下 げる事ができます。 させた時の波形です。 このサーボドライブには電流 センサが使用されていましたが、 その部分を IR2171 に置き換え動 作させました。今回はサーボドラ ■ＩＲ２１７１の実力 イブに組み込む為、モータライン 表 2 は IR2171 のテスト結果で にシャント抵抗(20mΩ)を入れ、 す。この結果からも分かるように、 IR2171 の出力を D/A 変換し電流 リニアリティなどの特性はもち センサの出力に合わせています。 ろん、温度による特性への影響が 上側の波形が速度(5000rpm まで 小さくなっています。また、2 次 約 40msec で加速、減速させてい 側の電源変動による影響も少な ます)、中央にある波形が電流セ くなっています。これは、モノリ ンサの出力と IR2171 の出力、下 シック構造である事や、温度の影 側の波形が実際に流れている電 響を受けにくい設計、電源変動に 流（電流プローブによる測定）で 強くなる設計を行っている事に す。電流センサと IR2171 どちら より達成しています。 の出力もまったく同じ波形とな り重なっています。電流センサと 比べても同じ波形となり IR2171 ■動作実験 図4 は実際にサーボドライブの 電流検出に IR2171 を使って動作 を使用しても問題なく動作する 事が確認されています。 今回は電流センサ出力に合わ よりモータドライブアプリケー ション全体を考え、ゲートドライ ブはもちろん、それ以外の部分に ついても開発、発売していく予定 です。 DC BAS+ Line VCC VCC + C11 15u 25V R38 220 IC5 TMS320C240 2 VS 5 R1 10 IR2171 IC2 1 VCC D2 R16 1 D3 D4 VIN+ 8 5 6 8 9 7 11 R13 10 13 DESAT3 HIN3 VS3 LIN1 VB2 LIN2 HOP2 HON2 HSSD2 LIN3 FAULT DESAT2 F-CLR VS2 SD VB1 HOP1 HON1 HSSD1 BRIN BR DESAT1 ITRIP VS1 33 15 500 Tr1 1 IRG4PH50KD C3 2.2uF 25V 34 33 D6 10BF60 1 2 R3 R20 R21 33 15 500 C9 0.47u 46 IRG4PH50KD 4 R22 20K R3420K 60 D7 10BF60 1 2 R5 R23 R24 33 15 500 Shunt Resistor C5 2.2uF 25V 56 4 55 LS3 12 R25 20K R11 200K COM LS1 33 15 500 19 20 21 22 R9 R30 R31 33 15 500 27 IC4A LM339M 7 6 C6 0.1u R12 1.00K D1 DL4148 2 C7 100p Tr6 1 IRG4PH50KD 23 24 25 26 Tr4 1 3 R8 R28 R29 Tr2 1 IRG4PH50KD DC BAS- Line 1 ＜図３＞応用回路 3 - 14 33 15 500 1 Shoot Through/Negative Ground Fault Protection + LOP1 LON1 LSSD1 12 1 LS2 VCC R10 20K 3 R7 5.1K VCC LOP2 LON2 LSSD2 R6 R26 R27 2 VDD VSS 16 17 18 1 R35 0.02 3 LOP3 LON3 LSSD3 C8 4.7n IRG4PH50KD C4 2.2uF 25V 45 59 58 57 Tr5 1 R19 20K R3320K 50 49 48 47 Tr3 1 2 10 R2 R17 R18 2 4 HIN2 37 36 35 D5 10BF60 1 2 4 R37 0.02 IRG4PH50KD 1 R36 0.02 Shunt Resistor J1 1 2 3 W V U CONECTOR 2 3 HOP3 HON3 HSSD3 R3220K 3 2 HIN1 38 3 1 VB3 2 72 73 90 C10 0.47u IR2137 VCC 3 15 C2 C1 0.1u 2.2uF 25V 3 IC3 54 55 2 VS 5 3 VB 6 4 OC 2 VIN- 7 3 COM 1 2 PO 1 10BF6010BF60 10BF60 52 67 68 69 70 Brake IGBT Gate R15 1 2 ADCIN0/IOPA0 ADCIN1/IOPA1 ADCIN9/IOPA2 4 OC R14 1 2 XINT2 XINT3 VB 6 3 PDPINT CAP1/QEP1 CAP2/QEP2 CAP3/QEP3 CAP4/QEP4 94 95 96 97 98 99 VIN- 7 3 COM 1 PWM1/CMP PWM2/CMP PWM3/CMP PWM4/CMP PWM5/CMP PWM6/CMP VIN+ 8 2 PO 2 R4 1K DSP R39 220 IR2171 IC1 1 VCC 2 VDD Motor Output
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