モーターの逆起電力防止回路

質問

以前に質問したのですが、まだ不明点がありますので改めて質問させていただきます。
私の理解は以下です。
・添付のようにFETでSTPモーターを駆動する場合、逆起電力によるFET破壊を防止するためにダイオードを挿入する
・しかし逆起防止ダイオードを挿入することでFETをOFFした後もモーターからダイオードを抜けて電流が流れてしまうのでモーターの切れが悪くなる
・FETのドレインの耐圧に近いツェナー電圧をもつツェナーを挿入することで逆起防止ダイオードを流れる、すなわちFETをOFF後にモーターに電流が流れる時間が短くなる。よって切れが良くなる。

という理解をしております。
上記の理解が正しいのであれば、添付の回路の場合、ツェナー電圧は100V近くまで引き上げたほうが良いということでしょうか？

またその場合、FETのドレインは定格近くの100Vであるため、モーターに向かって電流が逆流するのではないかという疑問もあるのですが、そんなことは無いのでしょうか？

以上、よろしく御願いいたします。m(__)m

回答No.7

KEN_2 · ベストアンサー

以前の質問から余計混乱させる展開になっていますが、質問者様を混乱させない様に配慮してあまり範囲が広がらない様にコメントしましたが、少し応用例を含めて実装上の問題との関係を改めて回答します。
anachrockt様が紹介されているICを参考に制御回路が搭載されたドライブICと、ディスクリートで配線された駆動回路の優位差を考えられると見えてくるのではないでしょうか。
また、クランプ時の電圧差によるオーバーシュートとノイズの関係をオシロスコープで波形観測されると、駆動回路や制御回路に与える影響が非常に大きいと判断されるのが判明しますので、是非確認してください。
anachrockt様が紹介されたモーターICはナイス・アシストですね。

質問者様はディスクリートの回路で、数十Ｗクラスの自作ドライバー回路を、小型から中型のモーターの駆動に考えておられると判断します。
ロボコンなどで使われているステッピングモーターなどに応用されているのでは無いでしょうか。
サンケンや新電元のドライバーICなどの場合、PCが３Ｗから5Ｗ程度の超小型モータを対象に供給されたICがPC用のプリンターなどのモータドライバーICとして利用されていますが、モータの直ぐ近くに実装されコイルと駆動回路間の配線が短くなり、制御回路もIC上に実装されているのでノイズ発生と影響に有利で、超小型モータの場合コイルの逆起電力のエネルギーも比較的に軽微になります。

新電元のVz がVmmの1.2倍～1.5倍は妥当な数値ですね。
マイコンや制御回路には+5V±5％の変動を考慮されていますが、電力用やリレー回路用には+12V±10％変動の電源供給を考えるとVmm+10％X2倍、つまりVz用は1.2倍の電圧を考慮すれば電圧変動があっても逆相の2倍の電圧は影響しないですよね。
ちなみに、Diオアで各相からDiが接続されているので、約1Vは電圧降下分がマージンになります。
+12Vが定電圧電源で変動や設定電圧の偏差が無ければ1倍でも良いことになります。
Vzの1.5倍はマージンと歯止めの数値と考えられます。

ディスクリートで駆動回路と制御回路を接続した場合、小型や中型モータを駆動できますが、配線による逆起電力の増加とリンギング発生でノイズが増加します。
先のサンケンのデータシートでも、Vdd；5Vラインに0.5V以上のノイズが製品の誤動作を警告している様に、GNDパターンの引き回しを注意喚起しています。
ディスクリート回路の場合部品配置と配線の関係で非常に不利になり、時々原因不明の誤動作を引き起こします。
もし、より高速の切れの良いドライブ回路を検討されるには、FETに保護Diの実装されていない部品を使い、Diクランプでは無くスナバーとDiを組み合わせた回路とし、配線長や実装方法を工夫されるとより高速化が可能です。
各回路部分の改良の積み重ねが必要で、もちろん応答特性の良いモータの採用が前提ですが・・・・

お礼

2ヶ月以上も放置してしまい申し訳御座いません。
おかげさまでほぼ理解できました。

御察しの通りロボコンなどに使うモーターの応用です。
より高速のドライブ回路の御提案までしていただき、ありがとうございます！

回答No.8

anachrockt

ここは質問者の問題解決の知恵を提供するのが目的のサイトですから、建設的な回答をするのが趣旨で解決の当ての無い問題提起は避けるべきと考えます。
そこで、質問を再確認したいと思います。
【暴言】は、KEN_2大先生様「暴言」認定のドシロートの小生の回答、【先生】は、KEN_2大先生様の回答です。

「解決したい問題」
≫添付の回路の場合、ツェナー電圧は100V近くまで引き上げたほうが良いということでしょうか？
【暴言】100V近くまで引き上げてもよいが、MOSFETを使用する場合にはアバランシェ耐量に期待して（データシートで要確認）対策不要。
【先生】+12Vから+24Vの間でクランプ電圧を決定する必要があります。

≫モーターに向かって電流が逆流するのではないか？
【暴言】ありません。
【先生】回答があまりに高度でドシロートの小生にはよくわかりません。

回答は出そろっていますので、質問者が市販ICの内部回路等を参考に決定されたらよろしいかと。

【先生】からは、ノイズ対策等いろんな問題が提起されていますが、「解決したい問題」とは別ですから新たに質問すべきでしょう。

回答No.6

anachrockt

他社のモータドライバICも見てみました．
サンケンもVDS100VMINのMOSFETで，アバランシェ耐量に期待しているようです．
http://www.sanken-ele.co.jp/prod/semicon/pdf/sla7067mj.pdf
新電元はVDS68VMINのMOSFETで，アバランシェ耐量に期待しているようです．
http://www.shindengen.co.jp/product/semi/dlfiles.php?id=3&code=13&ln=L1&dmy=a.a
バイポーラトランジスタの方では，ツエナ電圧はモータ電圧Vmmの1.2～1.5倍を推奨しています．
http://www.shindengen.co.jp/product/semi/dlfiles.php?id=1&code=13&ln=L1&dmy=a.a
Vmmが12Vだと，クランプ電圧は12×2.2=26.4V～12×2.5=30V+VFとゆうところで，ANo.2のような+12Vから+24Vの間でクランプ電圧を決定する必要性を新電元では認めず，ゆうなれば「暴言設計」になってますね．
シロート考えですが，巻き線と起電力の関係で+12Vから+24Vの間でクランプさせるとゆうことは，同じ巻き数の巻き線で結合していれば，1巻き線に+12V掛かれば他の巻き線にもVmm+12V=+24V掛かりますから，動作中はつねにクランプ回路が動作し効率の大幅な低下があるのではと思われます．
そのため，結合が悪くてスパイクが出た分を+12V×2=+24Vよりも大きな電圧でクランプさせ効率低下を防ぐとゆうことでしょう．
あくまでもシロート考えの「暴言」ですが．

モータドライバICからわかることは，バイポーラトランジスタ使用では積極的にクランプさせ，MOSFET使用では素子のアバランシェ耐量に任せるとゆう「暴言設計」が平気で行われていてることですね．
しかもユーザーが文句も言わずに使っているのはどうしてでしょう？

お礼

お礼が遅くなり申し訳御座いません。
参考URL,ありがとうございます。
大変参考になりました！

回答No.5

anachrockt

アマチュアだったら，ノイズ（EMI，エミッションと言います）は気にしなくても大丈夫です．
これはプリンタ用のステッピングモータドライバですが，過電圧保護（逆起電力防止）はMOSFETのアバランシェ耐量にお任せですね．
http://semicon.sanyo.com/jp/ds_j/NA1130.pdf

ノイズが気になるようだったら，立ち上がり時間が問題なんでクランパ型のスナバ（専門的にゆうとツエナ＋ダイオードがそうです）よりも抵抗とコンデンサを直列にしたCRスナバを付けますが，プリンタではコストアップになるからついてませんね．
プリンタの場合はアマチュア工作と違って，ノイズ規格に適合しています．
ノイズ規格はここの「Parts15」を見るとエエでしょう．
http://www.access.gpo.gov/cgi-bin/cfrassemble.cgi?title=199847
なお，米国以外はノイズ規格を無料で入手できません．

回答No.4

KEN_2

一点説明が抜けていました。追加します。
FET破壊防止の目的だけではありません。
他に逆起電力によるオーバーシュートでノイズを放射しますので、周囲の無線通信への妨害防止と自身の制御回路へ影響し誤動作を防止する目的が重要です。
過負荷の場合や内部ショートの場合過電圧が発生する場合があるので保護回路は必要です。

>添付のようにFETでSTPモーターを駆動する場合、逆起電力によるFET破壊を防止するためにダイオードを挿入する
　MOS_FETの場合特定の品目を除いて、保護用のダイオードは実装されていますので、昔のデバイスを使うより耐圧の心配は少なくなりましたが、ノイズ防止の目的は残っているのです。
特定の品目の部品ではこの保護用ダイオードを意図的に実装していないMOS_FETがあり、回路設計側で最適設計を可能にしている部品もあり、部品として実装出来ないMOS部品もありますので要注意です。
制御回路にマイコンを使うのが普通になっていますが、発生元で出来るだけ押さえないと感受性の回路側対策では困難になるのと、AMラジオなどに妨害を発生させるのです。
リレーのコイルにノイズ防止のダイオードを挿入するのと同じ理屈です。

一面だけの目的・特性だけで決まるので無く、総合の回路バランスで挿入されている定石の部品と考えてください。
ここは、議論の場ではないので、・・・・・

回答No.3

anachrockt

よくわからない回答がついていますが，逆起電力が24V以下だったらドレイン耐圧100VのMOSFETに逆起電力防止回路は不要でしょう．
詳しく言えば，どんなMOSFETを使うのかわからないんで逆起電力防止回路を付けたと思いますが，最近のMOSFETは大抵アバランシェ耐量が保証されているから何も付ける必要がありません．
使用予定のツェナはアバランシェ降伏特性を利用しているのは知っていると思いますが，ツェナよりもMOSFETの方がチップサイズが大きくてアバランシェ降伏時の許容エネルギーは大きくなっています．
それを保証しているのがアバランシェ耐量保証型MOSFETで，最近のは皆そうです．
100VのMOSFETなら経験的に110～120Vのツエナを付けたのと同じです．
データシートで確認して見てください．
簡単な説明がここに載っています．
http://www.irf.com/technical-info/appnotes/an-1005.pdf
IRのMOSFETは等価回路のボデイダイオードがツエナになってるのはこの理由です．

回答No.2

KEN_2

前回の説明が不足していた様ですね。
傍観していましたが、暴言に誤解されると困るので回答します。
>・FETのドレインの耐圧に近いツェナー電圧をもつツェナーを挿入することで逆起防止ダイオードを流れる、すなわちFETをOFF後にモーターに電流が流れる時間が短くなる。よって切れが良くなる。
+12V電源電圧なので、+12V以上が逆起電力になりますが、Ｘ1がオンの時Ｘ2に+24Vが発生します。
Ｘ1がオフの時に0V→+12Vに戻ろうとして逆起電力でオーバーシュートの過電圧が発生します。
一瞬のオーバーシュートを取り除くのが目的になります。
よって、+12Vから+24Vの間でクランプ電圧を決定する必要があります。
Vzは取り付けないか、12V程度以内で使用する必要があるということです。
ツエナーDiは7V付近が理想的な特性をしているのですが、15V以上になると等価（内部）抵抗もツェナー電圧特性もなだらかな傾斜で変化して、24V以上は他の素子の使用を検討すべき範囲になります。

>上記の理解が正しいのであれば、添付の回路の場合、ツェナー電圧は100V近くまで引き上げたほうが良いということでしょうか？
　良くありません。
+24V以上に設定する必要はありません。（Vcc；12V + Vz；12V ＝24V）
82Vなど全く無駄な保護回路になります。

>またその場合、FETのドレインは定格近くの100Vであるため、モーターに向かって電流が逆流するのではないかという疑問もあるのですが、そんなことは無いのでしょうか？
FETの定格100Vは関係ありません。
逆起電力の+12Vの3・4倍が発生電圧で、30V～40V程度のオーバーシュートをクランプするのが目的ですから。
参考にツェナーDiは順方向の過電圧に弱く簡単に破壊してしまいますので、使用方法の誤りにならない様にＸ1・・Ｘ4にDiで接続されているのです。

回答No.1

anachrockt

> 添付の回路の場合、ツェナー電圧は100V近くまで引き上げたほうが良いということでしょうか？

切れを良くしたいんだったら，ツェナー電圧は（100V-12V=82V）近くまで引き上げたほうが良いでしょう．

> FETのドレインは定格近くの100Vであるため、モーターに向かって電流が逆流するのではないかという疑問もあるのですが、そんなことは無いのでしょうか？

電流が逆流するには，ダイオードが逆導通しないといけません．
逆導通するようなダイオードだったら，入れる意味がないでしょう？