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モータードライバーの電力損失

特定のPWM周波数での伝導損失とスイッチング損失を含むモータードライバーICまたはディスクリートMOSFETの電力損失を計算します。

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公式

P_cond = I² × R_DS × D, P_sw = f × Qg × V

R_DS — On-state resistance (Ω)
Qg — Gate charge (nC)

仕組み

モータドライバICの電力損失は、導通損失 (I² × R_DS (on) × デューティサイクル) とスイッチング損失 (V × I × スイッチング周波数に比例) で構成されます。低PWM周波数では伝導損失が支配的になり、高周波数ではスイッチング損失が支配的になります。接合部温度は、ICの最大定格値であるT_j = T_Ambient + P_Dissiated×R_θ JA (接合部から周囲への熱抵抗) 以下にとどまる必要があります。t_J_max を超えるとサーマルシャットダウンがトリガーされ、モーターのドロップアウトが断続的に発生します。

計算例

DRV8876 モータードライバー IC (R_DS (オン) = ハイサイド+ローサイドの合計565 mΩ、R_θ JA = 35 °C/W) は、12 V モーターを 3 A 連続で 80% のデューティサイクルで駆動します。周囲温度は 40 °C です。
ステップ 1 — 導通損失:
P_Cond = I² × R_DS (on) × D = 3² × 0.565 × 0.80 = 4.07 W
ステップ 2 — スイッチング損失 (F_PWM = 20 kHz、t_sw = 100 ナノ秒と仮定):
P_SW ≈V × I × t_sw × f = 12 × 3 × 100e-9 × 20000 = 0.072 W (ここでは無視できる)
ステップ 3 — 総消費量:
P_Total = 4.07 + 0.07 = 4.14 W
ステップ 4 — ジャンクション温度:
t_J = t_AMB + P × R_θ JA = 40 + 4.14 × 35 = 40 + 144.9 = 184.9 °C
ステップ 5 — DRV8876 の最大T_j = 150 °C → 超過
解決策: モーター電流を 2 A に下げるか、PCB 銅注入部にサーマルパッドを追加してください。
2 A 時: P_cond = 2² × 0.565 × 0.80 = 1.81 W → t_J = 40 + 1.81 × 35 = 103.4 °C ✓
結果: 3 A では、このドライバは 40 °C のフリーエアで過熱します。2 A まで下げるか、銅流しまたは外部ヒートシンクを使用して R_θ JA を下げてください。

実践的なヒント

  • ✓QFN/DFNモータードライバーパッケージの底面にあるサーマルパッドを露出させ、反対側の層のグランドプレーンに少なくとも4つのサーマルビアが付いた銅ポアにはんだ付けします。
  • ✓初期のパワーオンテスト中に赤外線温度計でドライバーICの温度を測定します。表面温度が80°Cを超えると、冷却が不十分になり、PCBレイアウトの改善が必要です
  • ✓高デューティサイクルまたは連続動作の場合は、フリーホイール伝導損失を半分にするために、同期整流（ボディダイオードの代わりにローサイドMOSFETフリーホイール）を備えたモータードライバーを選択してください

よくある間違い

  • ✗PCBの銅面積を考慮せずに、データシートのR_θ JA (接合部と周囲との接合) 値をそのまま使用すると、銅を大量に流し込むと、実効R_θ JAが30～ 50% 低下する可能性があります
  • ✗伝導損失の計算でデューティサイクルを無視 — 伝導損失はデューティサイクルに応じて変化するため、20% デューティサイクルでアイドリングしているモーターは、同じ電流で 80% デューティサイクルの電力の4分の1の電力しか消費しません
  • ✗実際の動作電流を考慮せずに定格電流での消費電力を計算する場合-モータが定格電流を継続的に流すことはほとんどありません。正確な損失推定にはRMS電流を使用します

よくある質問

R_θ JAは、接合部から周囲への抵抗、つまりダイから周囲の空気までの総熱経路です。R_θ JC は接合部からケースへの抵抗で、ダイからパッケージ表面までの経路のみです。ヒートシンクなしでの自由空気計算には R_θ JA を使用してください。外部冷却パッケージには、R_θ JC と別のヒートシンク抵抗を使用してください。サーマルパッドが露出しているICの場合、PCBの銅面積によって実効R_θ JAが大きく決まります。
R_DS (on) を下げる:オン抵抗の低いドライバを選択するか、ディスクリートMOSFETを使用してください。電流の削減:ギアボックスを使用すると、同じ出力トルクでモーター電流を下げることができます。デューティサイクルの低減:低い平均速度で運転します。冷却効率の向上：PCBの銅流し込み面積を増やしたり、内層にビアを追加したり、ヒートシンクを取り付けたりできます。
モーター負荷が低い場合、PWM周波数が非常に高い場合、スイッチング損失が支配的になる可能性があります。静止電流とブートストラップコンデンサの充電損失も固定オーバーヘッドです。さらに、モーターが停止すると (ゼロ速度で大電流が流れる)、すべての電力が熱くなり、機械的な出力は発生しません。高温時にモーターが実際に稼働しているか、停止していないかを確認してください。

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