ドローン、ロボットを動かすパワー半導��・センサの集合�t
4月下旬に東�Bビッグサイトで開かれたTechno-Frontier 2016では、パワーデバイスのさまざまな応��、使い�M�}よく動かすためのドライバ、パワーで動くロボットやドローンなどの�U御性を�屬欧襪燭瓩離札鵐機△覆豹靴靴け���と動���\術が登場した。もともとこのイベントはモータ�U御やパワー半導��、電源などに集中しているが、新しい応��を指向する。
図1 Techno-Frontier 2016にはドローンやロボットなど動く応��に人が集まった
小電��から中電��に��を入れているON Semiconductorは、ロボットや�噞機械の�U御に�Lかせないステップモータ��のドライブに��を入れている。ステップモータは、�v転するロータに�P久磁石、モータ周囲の�w定ステータ�霾�に複数のコイルを配��して中心軸のロータを�vす�lだが、On Semiは、�v転角の基本的なステップ角を1.8度ずつサンプリングしている。
これまでのステップモータは、マイコン不要で�U御が楽でコスト的には�~�Wだが、電��効率が�Kく、最�Zの省エネ化に逆行しており、センサを��いるブラシレスモータなどに��き換わりつつあった。そこで、ON Semiは電��効率を�屬欧襪燭瓠▲僖襯垢猟蠑鐡杜�を下げる工夫を行った。通常、1ステップの始動時には�jきな電流が流れ、逆��電��が�擇犬襪�、その誘��された電圧を検出し参照電圧と比較し、パルスの定常電流値を下げる。これを1ステップごとに行うため、ステップ数を�屬欧��v転を�\していっても定常電流値は�jきくならない。このようにして消�J電流を下げ、効率を�屬欧襪茲Δ砲靴拭�
図2 ON Semiconductorのステップモータで鎖を�eち�屬欧襯妊�
今�vON Semiは、LC898240と�}ぶ、効率の高いコントローラ����と、その応��例としてステップモータで鉄の鎖を�eち�屬欧襯妊發鮃圓辰拭平�2）。1/2から1/16までのステップに�官�するだけではなく、SPIデジタルインタフェースでレジスタを設定でき、最�j9パターンの加�]シーケンスを内�鼎靴討い襦�これらの設定データを保�eする64KビットのEEPROMも集積した。このドライバを耐圧60V、電流容量10〜20A��度のMOSFETに接��、モータを�~動する。
図3 小型�C除機のモータに直�TできるON Semiconductorの�U御基��
ステップモータは、高�]�v転が�u�Tではないが、�v転を�`的とするブラシレスモータをドライブするパワーMOSFETの3相フルブリッジICであるIPM（Integrated Power Module）と、それを�U御するためのコントローラLV89xxもON Semiは�t��した。小型�C除機��のモータコントローラとして�C除機の��筒形の����にすっぽり入る��形のプリント�v路基��にモータと直�Tするほどの�jきさに収まる（図3）。モータとの�{�`が縮まったため、ノイズを発�擇靴覆��v路基��となったという。
Siではできないような高耐圧・低オン�B�^のパワーFETをSiCやGaNなどで実現しようとする動きがここ1〜2�Q�Vまっている。単価が高く、しかも使いづらいためである。高�a動作に耐えられる分、���]が容易ではないSiCやGaNは、どうしてもコストアップになる。
そこで、コストダウンでき、しかも使い�M�}を改��するために、パワーFET�霾�を単��ではなく、ゲートのドライブ�v路も�kつのパッケージに収めてしまおう、という考えだ。��Texas InstrumentsがFETをドライブするゲートにはPWM（パルス幅変調）�U御が�Hいため、そのままPWM信�､鯆擾Tできるように�Y��的な8mm角のQFNパッケージに収めた(参考�@料1)。パワーFETのゲートへの高�]信�ｽ萢��\術を考慮する��要はない。
Tech-Frontierでは、ロームがSiCパワーMOSFETにゲートドライブ�v路を集積したAC/DCコンバータ�U御ICを開発中であることを��らかにした。集積したパワーMOSFET(図4)の耐圧は1700V、定格電流は4Aという��性で、電源やモータ�U御を狙ったもの。同様な電圧を�W��する応��では、SiパワーMOSFETを2個�e積みにしなくてはならず、それも別々なパッケージに入っていると、ゲート容量やボンディングワイヤーによるインダクタンスの影�xによってリンギングやノイズを発�擇垢襪海箸�ある。そのための�敢�や、保護�v路の�U入など、かなりのアナログ�v路�\術が��要になる。
図4 ロームのゲートドライブ内�鼎�SiCパワーMOSFET �jきな3本のアルミ電解コンデンサと黄色のトランスの谷間にあるTO-220のパワーMOSFET（�靴せ悗任眇�している）
ドライブ�v路も集積していれば、パワーFETとの�{�`が�Zづくため、リンギングやノイズはかなり緩和される。また、SiCパワーMOSFETには、あまり�jきなゲート電圧をかけられないため、それを抑えるためのゲートクランプ�v路も集積している。このため使い�M�}はかなり良くなるはずだ。�Y��的なTO-220パッケージに2チップを入れている。外��け����の数や�}間だけでもSiとほぼ同��度の価格を�`指す。寄�斃椴未筌ぅ鵐瀬�タンスがないため、すぐに使えるようになる。今�Q中の����化を狙っている。
また、ロームは、SiCパワーEFTを日新�\研に納め、鉄を溶かすための200V/5.5kVAの高周�S電源において��来のSi IGBTと性�Δ鯣羈咾靴拭�400グラムの鉄を溶かす場合、Si IGBTでは732W/hのエネルギーを645秒間、加えたが、SiCパワーMOSFETだと653W/hのエネルギーを当て586秒で溶けたという。すなわち、消�J電��にして、約20%削��したことになる。
ロームは、SiCでなければ実現できないような��高圧のプラズマ発�昊_向けのデモも見せた。これは水中でプラズマを発�擇気擦訝���に使われ、SiCパワーFETが入�}できない場合は真空管を使ってプラズマを発�擇気擦討い拭�2万Vで5kHz〜10kHzのパルスで、立ち�屬�り/�T下のパルスを200nsで切らなければならないからだ。真空管は3�Q��度しか��命がなく、しかも1本300万��もするという。SiCパワーMOSFETだと24個直�`接��するが、半導��接合が劣化しないため��命が長い。
図5 Bluetooth Meshをスマートホームで応��する例を��したSTMicorelectronicsのブース
STMicroelectronicsもSiCパワーMOSFETを����化しているが、Techno-FrontierではパワーよりもIoTを�T識したソリューションを提案した。まずはBluetooth Meshだ(図5)。��来のBluetoothは最�j8��までしか端��同士をつなげられないツリー�Xのネットワークだが、Bluetooth Meshだと約6万4000��のセンサをつなげられる。スマートホームでの�Q�隹阿箏Qランプに変えられる調光や、加�]度・圧��・ジャイロなどのセンサを搭載したIoT端��をさまざまな場所に�Dり��けるような応��に向く。低消�J電��のBluetooth 4.1に��拠しながらセンサからセンサへとデータを送り最後のゲートウェイからインターネットやイントラネットにつなげる。Bluetooth MeshはこれからのIoTに向けた新しい��格である。
STは�R�{センサにも��を入れている。今�v�t��した����は、レーザーパルスを照�oし、その反�oパルスの到達時間から�{�`を推定するもの。カメラのオートフォーカスや、ジェスチャー��のセンサ、さらには、ドローンの軟��陸�U御やロボットアームの位���U御、など応��は広い。新����VL53L0Xは4.4mm×2.4mmの表�C実�▲僖奪院璽犬貌�っている。�S長940nmの�軍宛�を50Hzのパルスで発�oし、最�j2mの�{�`まで�R定できる。しかも色が異なる壁が連��してあっても色を����する�v路を内�鼎靴討い襪燭畛@度は低下しないとしている。ICパッケージ内にレーザー、�p光�_、マイコン、メモリなどを集積している。
参考�@料
1. TI、満を�eしてGaNパワーFETに進出、ドライバをパッケージに集積 (2016/04/26)
