FETの発熱について

質問

はじめまして！私は大学4年生で卒業研究で電動車椅子を作っているものです。

私は、Hブリッジを使ったFETを使ったモータドライバを作っています。モータは回転してくれるのですが、FETがものすごく熱くなります。
それも、HighサイドのFETは回転方向に関わらず、動作していないFETが一番熱くなっています。
また、モータをフル回転させると熱くなりませんが、低速にすればするほど熱くなります。
オシロでゲート電圧を測るとノイズがのっていて、瞬間的にオンオフしている可能性があることがわかりました。

この発熱に対する対処法を教えていただけないでしょうか？？よろしくお願いします。
ちなみにFETはhighサイドが2SJ554,LOWサイドが2SK3163でLOWサイドPWMです。モータは24VのギアドDCモータを使っています。

回答No.5

esezou · ベストアンサー

re_bulseさん、３たびこんにちは。
ＰＷＭの制御最小周期はどのくらいでしょう。
当該フォトカプラもＦＥＴも２０ｕＳ、５０ＫＨｚ程度が限界です。
高速素子を使う選択肢はありますが、そこまで高速にする必然性がありますか。
速度が充分（早すぎる）な場合、マイコンポートを、デジタルではなく、あえてアナログポートを使い、
立ち上がり制御してやる高度な方法もあります。
フォトカプラ入力端で、正逆正常に（熱を持たず）動くのですか？
でしたら、ノイズ問題のみですので、１へ。
そうでなければ、ドライブ問題なので２へ。
１．「マイコン側とドライバ側とのGNDは別」
どこで共通になるのですか、電源端子１点が正解です。モータ電流の経路はフォトカプラ等制御部（除マイコン）と別経路で１点アースしてください。
いかなる給電もＧＮＤが共通にならず、１点になるように（べたは面積のある１点）。
ノイズはドライバ段なのか、マイコン系なのか、大電流系なのか、切り分ける。
最後の手段として、信号系にフェライトビーズ（ノイズフィルタ）挿入。
２．ＮＯ２さんが仰るように、ドライバに電流を流し、キャパシタンスドライブと高速応答を両立するよう、
感覚的には、１Ａクラスのドライバが要ります。ゲート側（ベース側）だからと言って電圧（駆動）のみでは動きません。
３．キックバック防止のダイオードは忘れてないですよね。

回答No.6

esezou

re_bulseさん、こんにちは。
ちょっと補足。
マイコン電源とＦＥＴ電源が、トランスを使った別々なものなら、先に書いた１点アースは守らなくて良いです（分離電源）。
そうでない（共通電源）ものや、ＳＷレギュレータなら、１点アースの方が良い結果となると思います。
ノイズやＧＮＤ（アース）に正解は、システムごとに違うので、いろいろ試してください。
他ドライバ段はシールド線を用いたほうが良いでしょう。トランジスタからモータに行く線は、必ず撚ってください。ここにかかわらず、電流経路は撚るかシールド線です。

お礼

なんども回答ありがとうございます！！卒研のみんなで納得して拝見させていただいております。

モータには20KHzの周波数が必要で、TLP521は2KHｚでも限界でした。明らかに厳しいですね(笑)
在庫にTLP250という高速のフォトカプラがあるので使ってみようと思います。
http://www.semicon.toshiba.co.jp/docs/datasheet/ja/Opto/TLP250_ja_datasheet_010406.pdf

1点アースの意味がやっとわかりました。去年のセンパイもそのようなことを言っておられたので、ぜひとも実行してみたいと思います。

キックバック防止のダイオードは忘れてないですよね。<
　キックバック防止のダイオードとはフライホイールダイオードのことでしょうか？？
それでしたら、D60APU02という大きなダイオードを使用しています。

補足

みなさんのアドバイスのおかげで発熱を抑えることが出来ました。
やはり問題はフォトカプラにあったみたいです。。。
フォトカプラを交換したおかげでhighサイドは熱がいっさいでなくなりました！！

esezouさん、なんども質問に答えていただき本当にありがとうございました。
tadysさん、foobarさんも質問に答えていただきありがとうございました。
自分はまだまだ未熟で分からないことがたくさんあると思いまが、
その時はまた助けていただけると光栄です。
本当にありがとうございました！！！

回答No.4

esezou

re_bulseさん、こんにちは。
昼休み見ない間に進展したようですが、ＴＬＰ５２１で先のＦＥＴは直接ドライブできないと思います。理由はＮＯ２の方の通り。
バイポーラで組みなおすようですが、ドライブ回路をきちっと設計しないと同じ事ですよ。大出力のトランジスタのドライブには、中出力のドライバが必要です。
ＰＷＭの前に、ＤＣできちっと正逆転する回路を組んでください。
ＰＷＭをマイコンで制御するなら、ノイズ対策をきちっとしないといけません。
そのためのフォトカプラなんでしょうが、効いていませんね。
ＧＮＤの処理が甘いと思います。１点アースしてください。できなければべたＧＮＤです。
回路設計の基本はできていますか？

お礼

続けて回答ありがとうございます！！
おっしゃる通り、ＴＬＰ521ではマイコンからのPWM信号に追いついていない感がありました。この場合は高速のフォトカプラを使えばよいのでしょうか？？

PWMの前に、DCできちっと正逆転する回路を組んでください＜
これも説明不足でした。正逆転しっかりしてくれますのでそこは問題ないと思います。

ＧＮＤの処理が甘いと思います。１点アースしてください。できなければべたＧＮＤです。＜
GNDはベタアースしてあります。1点GNDとはGND共通と意味でしょうか？？でしたら、GNDは共通にしてあります。ですが、マイコン側とドライバ側とのGNDは別になっています。

回路設計の基本はできていますか？＜
恥ずかしながら、出来てないと思います。もっと勉強して基本が出来るようになりたいと思います。

回答No.3

esezou

re_bulseさん、こんにちは。
考えられる原因ですが、
LOWサイドがＯＦＦになっていない為に貫通電流が流れているか、
highサイドがＯＮになりきっていないか、と思います。
作られたＨブリッジは、何でドライブしていますか。
ゲートのクロスオーバのタイミング、電圧をオシロで観測し詳細に検討しなおしてください。高速ＦＥＴなので、多少のグリッジやノイズパルスも許されません。
リカバリダイオードは、入っていますよね。
Ｈブリッジを作ることが研究課題でないのなら、適切なブリッジを買ってくるのも（解析の）方法です。

回答No.2

tadys

パワーMOSFETのゲート容量は大きいのでドライブ回路が十分に低インピーダンスでないとスイッチングが遅くなってロスが増えます。
専用のドライバーICを使用するか、PNP+NPNのエミッタフォロワでドライブするかしましょう。

低速なほど熱くなるということからはhighサイドのFETがちゃんとオフになっていない可能性が考えられます。
オフ時のゲート電圧はちゃんと電源電圧(２４V)になっていますか。

お礼

回答ありがとうございます！！こちらのハプニングで返信が遅れて大変申し訳ありませんでした。。。

ドライバＩＣは前に試してみましたが駄目でしたので、エミッタフォロワを実験してみたいと思います。ありがとうございます！

オフ時のゲート電圧は、一瞬だけ汚い波形が入り、そのときだけ15Ｖに変わります。たしかにちゃんとオフにはなってないですね

回答No.1

foobar

まずは、FETのOFFを確実にする(OFF時にゲートにノイズが乗らないようにする)ことが肝要かと思います。

FETのゲート駆動はどんな回路を使われてますでしょうか?
(gateとsourceの間に抵抗が入ってる？)
OFFの際に、単にOPENにしているだけだと、OFFの時のゲート周りが高インピーダンスになって、ノイズが乗り易いかと思います。

お礼

早速の回答ありがとうございます！返信が遅れて大変申し訳ありませんでした・・

FETのゲート駆動にはフォトカプラ（TLP521）を通しています。
正転の場合、動作する対のPMOSにはLow信号が入り、NMOSにはPWM信号が入ります。
動作しない方の対にはHigｈ信号が入ります。
OFF時にはOPENではなく、NMOSはGNDへ、PMOSには24Vが入ります。モータ電圧も24Vなので理論上は電圧0Vになるという考えです。
また、ノイズが乗るのはHighサイドのFETということも説明しわすれました。
説明不足で申し訳ありませんでした。。。

ゲート、ソース間に抵抗を入れることはしていませんでした。
もしよければどのような効果があるのかも教えていただけないでしょうか？？よろしくお願いします！！