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トランジスタとMOSFETのゲート駆動とブリッジ回路。

2016-08-29 18:30:02 | 研究&TIPS
 こんばんはヌキヲです。
今回はロボコン等で自作モータドライバーを作る方向けの資料です。

まずは前回までのあらすじです。

(1) トランジスタとMOSFETの駆動の仕方。

第一回目はトランジスタや MOSFET をスイッチとして使う際の考え方を解説しました。
結局スイッチを操作する部分が違うだけで、
どれも同じようにスイッチとして使えることがわかると思います

(2) トランジスタとMOSFETの極性と使い方。

第二回目は極性について解説しました。
電流吸い込みと型と電流吐出し型の説明とブリッジ回路の考え方まで突っ込みました。

(3) トランジスタとMOSFETのゲート駆動とブリッジ回路。

第三回目はいよいよトランジスタを実際に駆動する方法を解説します。
そして MOSFET によるブリッジ回路での例も紹介したいと思います。
乞うご期待!!





・トランジスタのベース駆動。

ではトランジスタの駆動方法から解説します。

(1) よりトランジスタのベースはダイオードでした。
ダイオードの駆動は LED の駆動とよく似ているので、
電子工作初心者でも割とわかる方が多いのではないでしょうか?

LED


電源電圧 Vcc を抵抗と Vf で分圧しました。
LED の例ではこのような図になりますよね。
それをそのままトランジスタのベースに突っ込みます。

トランジスタのベース駆動


つまり、LED が光る代わりにスイッチ(コレクタ-エミッタ)がオンになるのです。
トランジスタのベースにも Vf があり、これはおよそ 0.7V 程度と言われています。

あまり大きいトランジスタで、ベースに流す電流も大きいと Vf も大きい傾向になるので、
気になる方は個別のデータシートで確認してください。

では定数を入れてみます。

トランジスタのベース駆動


(5-0.7) / 1000 = 0.0043 [A]

ということで、ベースには 4.3mA の電流を流すことになります。
では、この時にコレクタ-エミッタに 150mA の電流を流したいとします。
するとベース比で 34.9倍 になり、増幅率 hFE と呼びます。

このように小さい電力(4.3mA)で大きな電力(150mA)を駆動することを専門用語増幅といいます。
増幅といっても、見ての通り動作はコピーに近いですね。

さて、今回の駆動に必要な Ib Ice hFE が求まりましたね!
データシートと見比べて、すべてが範囲内に収まるデバイスを探すことになります。
また、R を大きくすと hFE が上がりますが、Ib + Ice の合計値が減り、
省電力な回路になることがわかると思います。

トランジスタの増幅率は無限ではないので、hFE の限界はよく確認してください。
特にバッテリーの小さいハーフマウスなどでは省電力にしたくなるのでなおさらです。

トランジスタはベースのターンオフがターン音に比べて遅い傾向にあり、
どうしてもスイッチングを高速化したい場合は R に並列に C を入れることがあります。
が、今度は C の放電用ダイオードが必要になったりして部品点数が多くなることから
あまり使われません。素直に MOSFET を使う方が高速になるようです。




・MOSFET の ゲート駆動。

次は MOSFET のゲート駆動に行きたいと思います。

(1)より MOSFET のゲートは コンデンサ でした。
ゲート-ソースがコンデンサになっており、これを充電してあげればスイッチがオンします。

MOSFETのゲート駆動


しかしこの図の状態では問題が二つあります。
一つ目は突入電流が大きい(この場合無限である)ことです。

これは電流制限用の抵抗をつけてあげれば解決です。
あまり大きいと充電スピードが制限され、スイッチのオンが遅れてしまいます。
RCフィルターによる遅延回路になってしまうので当然です。
MOSFET の大きさにもよりますが 10~100Ω くらいが一般的じゃないでしょうか?

二つ目は放電を考えないといことです。
ここがトランジスタとちょっと違うところで、気を付けないといけないです。

コップに水を注いだと考えてみましょう。
注ぐのを止めても、コップの水は減りませんよね?
コップの水をどうにかして捨てないとスイッチがオフしてくれないのです。
電気も同じで放置しても理論的には減りません。
ま、実際には数秒でなくなりますが、モータや LED のオフに数秒もかけていたら遅すぎるというわけです。

実際は、マイコンや FPGA などの IO ピンで駆動することが多いと思います。
この IO はよくできていて、電流の吐出し、吸い込みの両方ができるようになっています。

充電と放電


このような IO を CMOS といいますが、動作的にはハーフブリッジと一緒です。
図のようにハイサイド駆動でゲートの充電を、ローサイド駆動でゲートの放電をします。

というわけで、マイコンからの制御はとても楽なのですが注意点もあります。
マイコンはリセット時リセット中ともに IO が入力モード、すなわちハイインピーダンスです。
ゲートのコンデンサは充放電されませんので、後述するハーフ・ブリッジ、フル・ブリッジ回路で
問題が起きる(燃える)こともあります。

プルダウンを足す


図のようにプルダウン・プルアップ抵抗を足しましょう。




・ブリッジ回路。

いよいよ MOSFET でブリッジ回路を組みます。

ブリッジ回路


まず避けたいのが、上段下段の MOSFET が同時にオンしてしまうことです。
電源の短絡(ショート)と同じ状態になり MOSFET は燃えますが、
バッテリーにまで影響することもあります。

貫通電流


図はオンオフの交差の波形です。
MOSFET のオン・オフは理想通りとはいかず、台形な波形になります。
上下を同時に切り替えたのでは図のように重なる部分が出てきますよね。
これが貫通電流で、MOSFET が燃えたり、熱くなったりします。

そこで出てくるのがデットタイムです。

デットタイムを足した


図のように上下段の切り替わりの際にどちらもオフの状態を作ります。
古くは ロジックIC と RCフィルタ で作りました。
最近はマイコンの PWM にこの機能がついてることも増えましたね。

私はまだ RCフィルタ を使っています。
ここが知りたい方も多いみたいなので掘り下げます。

RCフィルタ


図に示すのが RCフィルタ による遅延回路です。
よく言う時定数というのは R と C の値をかけたもので、
充電量でいうと 36% 程度のことらしいです。
コンデンサをフル充電するにはさらに 2π (約6.28倍)が必要です。

このまま ロジックIC + RCフィルタ で組んでもいいのですが、
部品点数が多くて小さくするのが難しいですよね?
そこで私は MOSFET のゲート容量 Ciss に注目しました。

すでに C があり、どうせ R もつける必要があります。
これでデットタイムを作れないだろうか?

デットタイムの実験


まだ問題があります。そう放電です。
このままではオフの時も遅延してしまいます。

ダイオード追加


オフの時は遅延する必要がないのでダイオードでバイパスさせます。
おおお??ゲート駆動回路できた??

というわけで、私のハーフブリッジ回路を載せます。

ハーフブリッジ


電圧シフトと電流増幅をかけてゲート駆動としました。
電流増幅のトランジスタはデジトラでもできます。

では定数を決めましょう。
といっても決めなきゃいけないのは R だけですね。
私の現在のデバイスである IRFU5505PBF + IRLU3410PBF で解説します。

データシートより、Ciss と tOFF を読みます。
Ciss はゲートのコンデンサ容量で、tOFF はターンオフにかかる時間です。

IRFU5505PBF 650pF 20ns
IRLU3410PBF 800pF 30ns

Pch のデットタイムは、Nch の tOFF より大きくないといけないことがわかると思います。
逆に Nch のデットタイムは Pch の tOFF ・・・と、相手の tOFF で判断します。
では実際に CRフィルタ の時定数をどのくらいに設定したらいいでしょうか?
私の感覚だと tOFF の 4倍~6倍程度 は必要なようです。
これは、フル充電に 2π かかることからも納得できます。

デットタイムは余裕をもって 300ns くらいに設定してみましょう。

Pch 470[Ω] * 650[pF] = 305.5[ns]
Nch 390[Ω] * 800[pF] = 312[ns]

完成


あとはプルアップ・プルダウンを適当に入れれば完成です!
私はこれを PWM 周波数 62.5KHz で使用しています。
62.5KHz は 16us ですね。
設定したデットタイム 300ns は 16us 中の 2% 未満です。
まだまだ上の周波数も行けそうですね。

部品点数を少なくできたので、秋月C基板に 4ch のフルブリッジ回路が入ってしまいますよ!?

※この回路にはモータのフリー動作がなく、オン-ブレーキ動作のみです。
また、ハイサイドブレーキ、ローサイドブレーキどちらも動作可能です。






・ハイサイドに Nch MOSFET を使いたい。

最後に将来への展望で、ハイサイド Nch の解説です。
(2)よりハイサイド Nch は駆動が安定しないことがわかっていますね。

別電源


しかし、これはVppより高い電圧があれば駆動できます。
別電源を用意できれば問題ないのですが、そうはいかない場合が多いですよね。
そこで、コンデンサを使います。

ブートストラップ回路


コンデンサをチャージポンプ動作で使います。
これをブートストラップ回路といいます。
毎回コンデンサの充電が必要なので、PWM duty 100% 付近は使えません。



・おわりに

以上、このシリーズはこれにて完結です。
いつも通りトンデモ理論だったりする可能性があるので、ご使用は自己責任でお願いします。
また、ツッコミがある方はコメかメールでお願いします。
それでは、ご精読ありがとうございました。
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