FET、周波数を高くすると波形の振幅が縮む

質問

MOSFETのハーフブリッジ回路を組んで波形を見てみたのですが、周波数が２０ｋHz周辺などの低めの周波数のときはちゃんと方形波が確認できたんですが、周波数を高くすると周波数の高さに比例して方形波が縮んでいってしまいます。
以前IGBTを使ってやってみたときもこのような状態になってしまったんですが、これはいったい何が原因なのでしょうか？
なるFETとならないFETがあるのでFETの特性に問題があるのかと思うんですが、仮にそうだとしても何の特性が問題なのかもわからずほとほと困ってます。
どなたか原因を教えてください。よろしくおねがいします。

回答No.3

KEN_2 · ベストアンサー

MOSFETのハーフブリッジ回路で、周波数を高くすると周波数の高さに比例して方形波が縮んでいってしまう原因には、出力側のトランスの周波数特性と、ドライブ回路のドライブ特性・設計回路の良し悪しで左右されます。

出力側の問題としては、使用しているトランスの材質による周波数特性で、波形が頭打ち現象を生じるのと、出力容量（Coss）の影響が関係します。

ドライブ回路の問題としては、駆動回路インピーダンスと入力容量（Ciss）の影響が関係します。
これらの容量にはバラ付きがあり、50pFから100pFあり、この入・出力容量（Ciss）・（Coss）の影響を受けないように、回路インピーダンスを可能な限り低くしてやる必要があります。
MOSFETの直流の入力インピーダンスは充分に高いですが、周波数が高くなると方形波の立ち上がり・立下りの特性の部分においては、入・出力容量（Ciss）・（Coss）の影響で切り替えが遅くなってしまうのです。

>なるFETとならないFETがあるのでFETの特性に問題があるのかと思うんですが、仮にそうだとしても何の特性が問題なのかもわからずほとほと困ってます。
この現象は、ドライブ回路のドライブ特性・設計回路の良し悪しで差異が発生します。
多分ドライブ回路のインピーダンスが高く、入力容量（Ciss）の影響でバラ付きが生じて発生していると判断します。

MOSFETのスイッチング時間は、5nS～20nS程度ですので数MHz程度までは追従します。
周波数が２０ｋHz程度で波形が頭打ち現象を生じるのは、周囲回路に問題があり特に駆動回路インピーダンスと駆動方法に問題があります。

＊MOSFETのハーフブリッジ回路であれば、設計回路の良し悪しで百ｋHz程度までは伸ばすことは可能です。

お礼

ありがとうございます。
前回質問させていただいたパルストランスを追従した回答で調べてみたら状況がほぼ一致だったのでとても助かりました。
回路の使用を変更してみたら十分な出力を取り出せるようになったのかきちんとした方形波を取り出すことができました。
大感謝です。重ね重ねありがとうございました。

回答No.2

10423163

ton/toff共に10nsであれば、理論上100kHzでスイッチングさせるとonする為に使えるのが「5ns」offする為に使えるのが「5ns」ですので、VDSS印加電圧の半分までになります。

組まれた回路にロスがゼロ（実際にはありえませんが）であれば、50kHzまでは方形波…でもＯＮしたままの時間が「0」ですので、頂点の滞在時間（表現がおかしいですが）が「0」ですので三角波になるのかな…になるはずです。

実際は、ゲート抵抗や、組まれた回路上での容量（コンデンサを入れてなくても）成分、Ｌ成分などが（配線長を「0」には出来ませんものね）があるので、理論通りには行きません。

結局、どれだけの周波数でＯＮ/ＯＦＦさせたいかを決めた上で、素子と回路で追い込んで行くしかありませんが、上記にも書きましたが、データ通りにはなりませんので、半導体を利用したセットメーカーの腕の見せ所となります。

私は、高周波素子に詳しくはありませんので、正確に回答できません。
ただ高周波回路はプリント基板の配線方法や、それ専用の半導体を使用すれば、もう少し高速スイッチグで方形波が出せるかも知れませんが、測定するのにもシールドルームなど特殊なノウハウが必要になってくる様です。
http://www.semicon.toshiba.co.jp/list/index.php?code=tr-mosfet&lang=ja

お礼

ありがとうございます。
周波数によって遅延時間などが働きだんだんと三角派のような形状に近づいていってしまうんですね。
何度も説明していただきありがとうございました。とても参考になります。

回答No.1

10423163

方形波が縮むと言うのは、完全にＯＮするまでにＯＦＦしようとするから縮む様に見える訳です。
で、この特性は、スイッチングタイムと呼ばれます。

東芝のＦＥＴを例題にします。
高速スイッチング製品
http://www.semicon.toshiba.co.jp/docs/datasheet/ja/Transistor/2SJ168_ja_datasheet_071101.pdf

この例題製品のデータシートのスイッチングタイムにありますように、ＯＮするまでの時間（ton）とＯＦＦするまでの時間（ｔｏｆｆ）は「0」ではありません。
よって、この時間より早くＯＮ/ＯＦＦさせる周波数領域になると完全ＯＮする前にＯＦＦ動作する様になり、また完全ＯＦＦしてしまう前にＯＮ動作に入りますので、どんどん波形が縮む訳です。

これは、ＭＯＳＦＥＴ（ＩＧＢＴも同じ）が、ＮチャネルからＰチャネルに（逆もあり）ゲート電圧印加する（印加を止める）ことで変化させています。
特性変化する為には、電子や正孔が移動しますので、どうしても移動時間が必要となり、沢山移動させる製品と少量移動させる製品があり、それがスイッチングタイムに現れます。
高速スイッチング製品を使えば、そうでない製品より高周波の領域まで波形が縮みません。

あと、ゲートドライブ波形そのものも、高周波領域で正確な方形波を保っていますか？
ドライブ波形がなまれば、当然ＭＯＳＦＥＴの波形もなまりますよ。

補足

わかりやすい説明ありがとうございます。
教えていただいたとおり調べてみたのですが、ton,toff共に数１０nsほどのFETを使っているんですが、このFETに１００ｋHz程度の綺麗な方形波を入力しても教えていただいたスイッチングタイムによって方形波は縮んでしまうものなのでしょうか？
どの程度の値でどの程度の周波数に対応できるのかうまくつかめていないので、おてを煩わせてしまい申し訳ありませんが教えていただけると幸いです。