どうも、バイト戦士です。
今回はモータの還流ダイオードの動作原理を説明してみます。
どうして還流ダイオードが勝手にONになって自動的に還流されるのか、のイメージが個人的につかみにくかったのでまとめておく。
個人的にわからなかった点
モータの還流ダイオード自体は解説記事がごまんと出てくるんですが、個人的につまずいたのはその動作原理。
原理というよりは還流しているときの各部の電位の関係、かもしれない。
モータに使用されているコイルはスイッチがOFFになった際に電流を流し続けようとするので、行き場を失った電流が以上を引き起こす。
それらを防止するために還流ダイオードをつけるわけなんだけど、三相インバータとかになるとちょっと複雑になってしまう。
この辺りをまとめておく。
還流ダイオードの必要性と動作原理
まず簡単に必要性と動作原理をまとめる。
モータMは簡単に言うとコイルなので、電流の変化を妨げる動作をする。
つまりDCモータを回しているときスイッチを切っても、コイルは下方向に電流を流し続けようとする。
電流を流すということは流れる方向の矢印側を＋とした電源とみることができるので、以下の図のような置き換えができる。
上記の図より、モータの下にあるスイッチの端子には電源電圧VCCに加えてモータが発生させた逆起電力が上乗せされる。
よってスイッチの端子の電位は高くなる。
機械式のスイッチだと特に問題なさそうに見えるが（ほんとは良くない）、トランジスタやMOSFETなどの半導体スイッチの場合は定格電圧を超えたら壊れてしまう。（機械式スイッチはある意味タフとも言える。。。）
そこで以下のようにモータに並列にダイオードを接続する。
こうすることで電源としてふるまうモータからの電流はダイオードを通じてVCCに戻る。よってスイッチの端子に高電圧は発生しない。
実際にはダイオードの順方向電圧だけ高い電位がスイッチ端子に現れる。
三相の場合を考えてみる
三相インバータでもDCモータでも還流の原理は変わらないし、さして難しくもない。
ただし、基準の電位がスイッチング状態によって変わるので少しめんどくさくなる。
個人的に混乱するときがあるのでまとめておく。
今回はY結線三相モータのうち、２相だけ通電する場合を例にやってみる。
※U、V、W端子：巻線が接続されている端子の電圧
※インバータの３つのアームのうち、左がU相、真ん中がV相、右側W相
パターン①：上アームスイッチがON→OFFに変化するとき
まずはV相とW相のスイッチがONになっており、ここからV相の上アームのスイッチがOFFになる場合を考えてみる。
還流経路は次のようになる。
GND→V相下アームのダイオード→V相端子→V相巻線→W相巻線→W相端子→GND
この時の状態をみてみる。
まず最初に説明したDCモータと同じように、モータの巻き線はスイッチがOFFになっても電流を流し続けようとする電源としてふるまう。
よってV相とW相の逆起電力二つが接続されているような状態になる。（以下に図を示す。）
ここで、今W相の下アームのスイッチはONのままなので、W相の端子電圧が基準電位GNDとなる。（GNDは変化しないため基準となる）
この時、W相の端子側に電源の＋が接続された状態なので、V相の端子電圧がそれよりも逆起電力分下、つまり負電圧になる。
よってV相の下アームのダイオードはアノード側がGND、カソード側がそれより下の負電位となり、還流する。
このような流れでダイオードがONになって電流を還流させ、モータ巻線端子に高電圧が発生するのを防ぐ。
パターン②：下アームのスイッチがON→OFFに変化するとき
次にW相の下アームのスイッチがONからOFFに変化した場合を考えてみる。
まず還流経路は以下のようになる。
VCC→V相端子→V相巻線→W相巻線→W相端子→W相上アームのダイオード→VCC
この時の状態を見てみる。
パターン①と同様に考えると、V相とW相端子間には逆起電力分の電源が２つ接続されていることになる。
いま、V相の上アームのスイッチがONなので、V相の巻線端子の電圧VCCが基準電位になる。（電源電圧VCCは変化しないため基準となる）
この時、V相の端子側を基準として逆起電力による電源が２つ接続されているのでW相の端子電圧はVCCより高くなる。
よってW相の上アームのダイオードはカソード側の電位がVCC、アノード側の電位がVCCよりV相とW相の逆起電圧分高い電位となる。
これによりW相上アームの還流ダイオードがONになり、還流動作が行われる。
まとめ
今回はモータ巻線に接続された還流ダイオードの必要性と動作原理についてまとめてみました。
スイッチがOFFの場合、回路図的には電流経路が限られます。なのでぱっと見でだいたい還流経路はわかるとおもいます。
ただ今回は個人的に、「どうして還流ダイオードが勝手にONになって自動的に還流されるのか？」が気になったのでまとめてみました。
多少でも参考になれば幸いです。
それでは、また。