アクティブ短絡技術

アクティブ短絡とは、大量のエネルギーを安全に放散するエンジニアリング手法です。この回路は、ハイサイドまたはローサイドの金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ (MOSFET) をすべてオンにするブレーキ機能を実装しています。MOSFET は短絡し、電源へ流れる代わりに MOSFET を流れる大電流を還流するパスを作成します。

図 1 に、ASCIN ピンを使用してブレーキ モードを実装する TI の DVR8363-Q1 ゲート ドライバ を使用した電動自転車システムのアーキテクチャを示します。

初期の電動自転車メーカーはディスクリート部品を使用してバッテリ電圧を測定し、その電圧が許容可能なスレッショルドを超えた場合にブレーキ モードをトリガしていましたが、外部システムは MOSFET 故障に動的に応答できません。たとえば、システム障害がハイサイド MOSFET の損傷を示した場合、電源がグランドに短絡しないように、ローサイド ブレーキの代わりにハイサイド ブレーキを使用する必要があります。

新しい設計では、DRV8363-Q1 は機能統合によりブレーキの課題に対処すると同時に基板面積を削減します。ロジック レベル ASCIN ピンは、システム フォルト発生時に緊急ブレーキモードをトリガできます。DRV8363-Q1 は、シリアル ペリフェラルインターフェイス (SPI) 経由でアクティブ短絡をトリガすることも、過電圧状態のときに自動的にトリガすることもできます。このゲート ドライバは、レジスタ設定に基づいて、ローサイドまたはハイサイドのいずれかのブレーキをトリガするように構成できます。

電動自転車のブレーキを実装する場合、主に 6 つの悪条件が発生します。

• ハイサイド MOSFET が短絡した場合 (またはその逆) にローサイド ブレーキを使用する際の貫通電流条件。動作中にハイサイド MOSFET が損傷し、システムがローサイドのアクティブ短絡モードをトリガすると、48V 電源からグランドへの経路が存在し、大電流の貫通電流イベントが発生してシステムが損傷し、ユーザーにリスクを及ぼす可能性があります。

  図 2 に示す DRV8363-Q1 の高度な保護機能には、ドレイン-ソース間電圧監視によるハイサイド MOSFET の短絡状態を検出するためのロジックが内蔵されています。その後、ローサイド アクティブ短絡コマンドをオーバーライドしてハイサイド ブレーキに切り替わることで、グランドへの短絡を防止しながら電流を安全に放散します。これらの保護ロジックと診断機能により、ユーザーの安全性が向上し、ファームウェア リソースの要求が低減されます。

  図 2 貫通電流を防止するためのアクティブ短絡時のスマート ロジック

• ブレーキ モードとフリーホイール モードの間で切り替えるときの、モーター相における大電流スパイク。ユーザが下り坂を走行すると、フリースピン モータによってバッテリ電圧が上昇します。ディスクリート ブレーキ モード システムでは、電圧が特定の制限値を超えるとブレーキがトリガされ、電圧が低下します。ただし、電圧がスレッショルドを下回るとブレーキは停止し、自由回転モーターによってバッテリ電圧が再度上昇します。これは低電流シナリオでも機能しますが、ブレーキとフリーホイールの間の遷移が原因で電流スパイクが発生し、オンボード部品が損傷する可能性のある大電流アプリケーションにとっては危険な問題です。

  DRV8363-Q1 は立ち上がり電圧を制御するための高度な応答を備えているため、設計者はシステムの要件に基づいて再試行モードまたはラッチ ブレーキ モードのどちらかを設定できます。

• ブレーキ時の MOSFET の熱損傷。大電流ブレーキの場合、ローサイドまたはハイサイド ブレーキのみを使用すると、電流が放散している間に MOSFET が連続的に導通しているため、MOSFET の発熱が発生します。図 3 に、2 つのブレーキモ ード間の電流の方向を示します。

  SPI 上でローサイドまたはハイサイド ブレーキをトリガする機能により、DRV8363-Q1 はハイサイドとローサイドのアクティブ短絡を切り替えることで、発熱の分散や基板の熱の管理改善に役立ちます。

  図 3 アクティブ短絡の実装：ハイサイドとローサイドの比較
• 電源電圧の測定精度が低下し、応答時間が遅くなります。ディスクリート ブレーキの実装では多くの場合、MOSFET のドレインで測定される電圧と比べて、バッテリで検出される電圧の精度が低いという問題が発生します。さらに、ブレーキ信号を指示するマイコン (MCU) がデータのサンプリングとデコードを行うと、システムの応答時間が遅延する場合があり、緊急事態には危険な状態になる可能性があります。

  DRV8363-Q1 の内蔵アクティブ短絡システムは、ハイサイド MOSFET ドレインのバッテリ電圧を直接測定することで、過電圧イベント中にブレーキ モードをトリガする際の精度と応答時間を向上させます。

• MCU が損傷した場合、またはドライバの障害状態が存在する場合、アクティブ短絡をトリガできません。MCU 制御の PWM (パルス幅変調) 信号が手動でブレーキ状態に入ることができますが、DRV8363-Q1 の内蔵アクティブ短絡機能は、ハードウェア障害条件が発生した場合でも、より信頼性の高いブレーキ方式を実現します。たとえば、コード実行エラーまたは内部ハードウェア フォルトが MCU に割り込みを発生させた場合、DRV8363-Q1 は、外部 MCU で命令されたトリガを使用せずに、電源過電圧条件に応答してアクティブ短絡を自動的にアクティブにできます。DRV8363-Q1 の内部に障害が発生した場合、アクティブ短絡は特定の内部フォルトをバイパスし、シャットダウンにオーバーライドして制動力を加えることがあります。
• ボード面積と部品表 (BOM) コストの増加。ディスクリート型アクティブ短絡ソリューションを実装するには、複数のコンパレータとセンシング回路が関係します。したがって、最終的なソリューションで使用するBOM (部品表) コストが増加し、基板面積の節減につながります。スペースと重量の要件が厳しい電動自転車アプリケーションでは、この点が問題となります。

まとめ

TI の DRV8363-Q1 は、ブレーキ機能と MOSFET 監視機能に適したアクティブ短絡テクノロジーを通じて、電動車両システムでの安全性に関する具体的な懸念に対処します。電動自転車の安全性を強化するため、このデバイスはプログラム可能な制御機能を搭載しており、危険な可能性のある電圧スパイクを防止して、モーター モードとジェネレータ モードで信頼性の高い性能を維持するのに役立ちます。

その他の資料

DRV8363-Q1 高精度電流センシング機能および高度監視機能搭載、48V バッテリ 3 相スマート ゲート ドライバに関するデータ シートおよび DRV8363-Q1EVM 評価基板をご確認ください。

商標

すべての商標はそれぞれの所有者に帰属します。