電動モータドライバへの給電
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執筆者：Alistair Winning（マウザー・エレクトロニクス）
2025年12月15日公開
今日広く使用されているモータの多くについては、複雑なアルゴリズムを処理する高性能なマイクロコントローラに基づく制御方式がなければ、実用化は困難です。例えば、永久磁石同期モータ（PMSM）やブラシレスDC（BLDC）モーターは、いずれも効果的に動作させるために膨大な数学的計算を必要とします。マイクロコントローラは一般的に、精密な電力の供給というよりは、複雑な計算を行う際にその真価を発揮します。必要な電力を供給できる回路を内蔵したマイクロコントローラもありますが、多くの場合、専用の電源システムが必要となります。
この記事では、電気モータの電力供給に採用されるアーキテクチャとコンポーネントについて検討します。
アーキテクチャ
3相ACおよびBLDCモータ制御設計でステータコイルに電力を供給する最も広く使用されている方法は、インバータを使用する方法です(図1)。ほとんどの3相ACモータ設計では、供給電圧が最初にDC に変換され、次にパルス幅変調(PWM)を使用してDC 信号が所望のAC 周波数および振幅に変換されます。
図1:インバータ全体のモータ制御回路図におけるインバータの位置(出典:Analog Devices)
モータ設計では、トポロジーや位相数に応じて様々なインバータを使用することができます。それでも、PWM信号を供給する最も一般的な方法は、3相2レベル構成(図2)です。この場合、インバータブリッジは、モータなどの誘導負荷から供給電流が急激に低下したときに発生する突然の電圧スパイクから保護するために、トランジスタを横切るフライバックダイオードを備えた6つのトランジスタで構成されます。6つのトランジスタは、6つのゲートドライバによって独立に制御され、高周波で完全にオンまたは完全にオフにされます。これらは、ステータ電磁石への電圧を変調する準理想的なスイッチとして機能し、モータの速度を制御するためにPWM信号を再生成します。BLDCモータは、同様の方法で制御されますが、入力電圧が既にDCであるため、初期整流は必要ありません。
図2:3相モータを駆動するインバータステージ(出典:Analog Devices)
パワーコンポーネント
MOSFETやIGBTは、従来、インバータ回路において電力供給のためのスイッチとして使用されてきました。MOSFETは最大100kHzまでの周波数でスイッチングが可能ですが、実際には数十kHz程度の速度で使用されることが一般的です。これらは、それらを制御するICと同様の製造プロセスを採用しているため、一部の低電力用途ではシングルチップソリューションが可能となります。MOSFETのその他の利点としては、高い入力インピーダンス、低いオン抵抗、低いゲート消費電力、駆動の容易さ、そして広い安全動作領域などが挙げられます。これらの特性により、MOSFETは低電流密度でエネルギー効率の高いソリューションが求められる用途に最適です。しかし、電圧が上昇すると接合温度も上昇し、内部ダイオードの逆回復特性が低下するため、発熱やスイッチング損失が増加します。
こうした高電圧・高電流の領域では、通常、IGBTがスイッチング素子として好んで採用されます。IGBTはMOSFETと似た構造を持っていますが、コレクタ側に追加のP+層が設けられており、これにより、MOSFETがPNPトランジスタを駆動するような動作をします（図3）。IGBTは低電力の信号で容易に駆動でき、20kHz前後の比較的低い周波数で動作します。しかし、IGBTの設計上、一般的なMOS ICプロセスでは製造できないため、MOSFETのように内部に逆回復ダイオードが統合されていません。モータ制御の目的では、このようなダイオードを、PCB上に外部で配置するか、IGBTとともに別個のダイとしてパッケージ化する必要があります。外部のリカバリーダイオードには長所と短所の両方があります。特定の用途に合わせて最適化できますが、その一方で設計コストが増加し、PCB上の追加スペースが必要となります。
図3: IGBT シンボルと等価回路コレクタ端子はPNP トランジスタのエミッタです。(出典: Infineon)
主要パラメータ
MOSFET、IGBTともに、モータ負荷の要件を満たすために必要な一次特性として、電流ハンドリング、ピーク電圧定格があり、2つの機器には二次、三次要件があります。
MOSFETの最も重要な二次パラメータは、ドレイン・ソース間オン抵抗（R DS(ON) ）とゲート容量です。オン抵抗が低いほど、抵抗損失が減少し、デバイスが導通している際の電圧降下が低減され、その結果、効率が直接向上します。しかし、これは一見したほど単純な話ではありません。ゲート容量は、コンダクタンスのオン・オフ速度に影響する要因であり、式 I = C dV/dt から算出できます。スイッチング周波数と相まって、ゲートでの損失の原因にもなります。スイッチング周波数が高ければ高いほど、損失は増大し、効率は低下します。R DS(ON) を低く設計されたMOSFETは、通常、ゲート面積が大きくなるため、ゲート容量も大きくなります。したがって、R DS(ON)とゲート容量の間にトレードオフを図ることで、最高の性能と最小の損失を実現できます。メーカーは、データシートにおいて、式 FOM = R DS(ON) × ゲート電荷 (Q G ) を用いて、総合的な性能指標として「性能指数（FOM）」をほぼ常に提示しています。
IGBTの場合、オン状態の電圧降下は考慮すべき重要な仕様です。この降下には、P-N接合のダイオード降下と駆動MOSFETの電圧降下の両方が含まれます。純粋なパワーMOSFETとは異なり、IGBTのオン状態の電圧降下はダイオードのしきい値を下回りません。
適切な部品を選定するには、単にデータシートから適切な数値を選ぶだけでは不十分です。なぜなら、動作中はパラメータが変化するからです。MOSFETのR DS(ON)もIGBTのオン状態電圧降下も、温度と電流の両方の影響を受け、どちらのタイプのデバイスも動作中に発熱しやすい性質を持っています。MOSFETの電圧降下は電流に比例し、そのR DS(ON)は温度の上昇とともに増加します。IGBTの電圧降下はダイオードのそれと類似しており、電流の対数に比例して増加し、温度に対しては比較的一定に保たれます。
ワイドバンドギャップ革命
つい最近まで、電気モータの駆動にはシリコンMOSFETやIGBTが主流の部品として用いられていました。多くの用途において、これらは依然として十分に有効な選択肢ですが、ワイドバンドギャップ技術の商用化により、現在ではさらに幅広い選択肢が利用可能になっています。この10年間で、窒化ガリウム（GaN）や炭化ケイ素（SiC）の半導体が市場に登場し、ほぼすべてのケースにおいてシリコントランジスタよりも優れた特性を発揮しています。
バンドギャップとは、電子や正孔が価電子帯から伝導帯へ遷移するために必要なエネルギーのことです。シリコンのバンドギャップは1.12eVであるのに対し、SiCとGaNのバンドギャップはそれぞれ3.26eVと3.39eVです。これら3つの材料の絶縁破壊電界も同様の傾向を示しています。SiCは3.5MV/cm、GaNは3.3MV/cm、シリコンは0.3MV/cmです。これらの数値は、GaNとSiCの方が10倍以上高い電圧に耐えられることを意味しています。実用面では、これら2つのワイドバンドギャップ材料は、より高速にスイッチングでき、より高い電圧を長時間耐えることができるため、効率が高くなります。また、シリコンよりも高い動作温度に耐えることができます。SiCは約600°C、GaNは約300°Cであるのに対し、シリコンデバイスはわずか200°Cにとどまります。これらの利点だけでも、ワイドバンドギャップ設計は、より小型・軽量なソリューション、より優れた性能、そしてより容易な熱管理を実現できることを意味します。
GaNとSiCのバンドギャップの値は似ているように見えますが、電子移動度の値は大きく異なり、これらの材料が電力処理用途でどのように使用されるかを決定する上で大きな役割を果たしています。電子移動度は、電界によって引き寄せられた電子が導体や半導体材料内をどれだけの速さで移動できるかを表す指標です。GaNが2,000cm²/Vsの電子移動度で最も速く、次いでシリコンが1,400cm²/Vs、SiCが650cm²/Vsとなっています。
こうした優れた特性により、GaNはシリコンMOSFETの10倍もの高速なスイッチングが可能となります。また、GaN設計ではゲート容量が極めて小さいため、スイッチング損失も低減されます。GaNトランジスタが電源設計をどのように変革できるかを示す好例が、携帯電話用のUSB充電器です。これらの充電器は、許容電力が約11Wから70Wへと向上したにもかかわらず、小型化が進んでいます。このように、GaNは、可能な限り高い効率が求められる最大650V、20kWまでのモーター用途にとって理想的なソリューションとなります。
一方、SiCはGaNに比べてスイッチング速度ははるかに遅いものの、シリコン製ソリューションよりは依然として高速です。この材料には、高電圧・大電流対応、高い熱伝導率、堅牢性など、電力供給面でのさらなる利点があります。SiCはスイッチング周波数が高いため、約1,200Vおよび200kWまでの範囲で高効率と高精度が求められる設計において、好ましい選択肢となります。
もちろん、その優れた性能を得るためにはトレードオフも伴います。ワイドバンドギャップ半導体は、MOSFETやIGBTに比べて駆動がはるかに困難であり、その結果、設計期間の長期化や設計の複雑化につながります。さらに、ワイドバンドギャップ材料を使用する最大の利点の一つは、スイッチング速度が速いため、より小型のフィルタ部品を使用できることです。しかし、モータ用途では、PWM信号の平滑化にモータ巻線を利用できるため、フィルタはそれほど多用されません。MOSFETやIGBTが提供する中程度のスイッチング速度であっても、ほぼ完璧な波形が得られます。また、SiCやGaNトランジスタは、動作中に逆回復損失が生じる可能性があります。
初期コストの観点から見ると、IGBTやMOSFETはSiCやGaNトランジスタよりも安価であるため、コスト重視の多くの用途においては、これらの方が適した選択肢となる可能性があります。しかし、SiCやGaNトランジスタはシリコン製のものよりも高価ですが、実使用時の効率が高いため、アプリケーションのライフサイクル全体で見れば、かえってコスト効率の良いソリューションとなる可能性があります。
これまで説明してきたあらゆる種類のトランジスタは、用途の要件に応じて、いずれも十分に妥当な選択肢となります。実際、図4に示すように、100kHz/10kWレベル付近では性能範囲が大幅に重なっており、これら4種類のトランジスタすべてが有効な選択肢となり得ます。もちろん、GaNやSiCトランジスタの技術が成熟するにつれて、次世代のデバイスは性能が向上し、コストも低下するでしょう。とはいえ、IGBTやMOSFETが現状のまま変わらないというわけではありません。例えば、最近登場したトレンチ型IGBTは、性能の向上、小型化、および放熱性能の改善を実現しています。
図4:現代のパワー半導体のおおよその応用分野(出典: Qorvo)
まとめ
電気モータの駆動には、高度な制御アルゴリズムだけでなく、効率的で堅牢な電力供給システムも不可欠です。従来のシリコン系MOSFETやIGBTは、幅広い用途で実証済みの性能を発揮し、この役割を十分に果たしてきました。しかし、GaNやSiCといったワイドバンドギャップ技術の登場により、状況は一変しつつあり、より高速なスイッチング、熱管理の改善、そして全体的な効率の向上が可能になっています。これらの新しいデバイスは、設計の複雑化や初期コストの増加をもたらしますが、サイズ、性能、ライフサイクル効率における長期的なメリットにより、現代のモーター用途においてますます魅力的になっています。最終的には、電圧、電流、熱、コストの各要素をバランスよく考慮した上で、適切なソリューションを選択することが重要です。
この記事は、Microsoft 365 Copilotの支援により生成されました。
著者について
1997年にウェスト・オブ・スコットランド大学で電子システムの理学士号を取得して以来、アリステアはエレクトロニクス関連メディアにおいて、マーケティング、広報、ジャーナリズムの各分野で活躍してきました。その間、「Electronics Engineering」、「Embedded Systems Europe」、「EENews Embedded」、「Technology First」、「Electronic Product Design and Test」、および「Panel Building and Systems Integration」の各誌で編集者を務めました。現在、アリステアは「Power Systems Design」誌の欧州編集長を務めるとともに、エレクトロニクスおよびエンジニアリング分野を専門とするフリーランスのライターとしても活動しています。