ｎ-ＣＨ MOS FETのみ

質問

こんにちは、以下について質問させてください
モータを正転、逆転をするのにＨブリッジをn-ch MOS FETのみで組みたいのですが、中々うまくいきません。
回路については次のようなものを組んでみました。
（図が汚くてすみません。すみませんがフォントを見やすい物に直して見てください。）
電源電圧=12V、入力電圧=5V、Tr1=C1815-GR, Tr2=A1015, FET1=K2586　抵抗値はE系列のものではなく計算したものの値を小数点以下を切り捨てた大体のものです(計算結果は不安ですが…)。単体の構成は
上段のみ…Vcc→FETのD→FETのS→モータ→GND
下段のみ…Vcc→モータ→FETのD→FETのS→GNDです…
全体は
　 Vcc(12V) Vcc(12V)
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　 | |
C(Tr1) |
|---------B(Tr1) |
| E(Tr1)---| |
| | 　|
入力(5V)--抵抗(6.1KΩ)---| | D(FET1)
| |-----抵抗(73Ω)---G(FET1)
| | S(FET1)
| E(Tr2)---| |
|---------B(Tr2) |
C(Tr2) |
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| M
GND |
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　 　　 |
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　 Vcc(12V) 　　 |
　 | 　　 |
| 　　 |
C(Tr1) |
|---------B(Tr1) |
| E(Tr1)---| |
| | 　|
入力(5V)--抵抗(6.1KΩ)---| | D(FET1)
| |-----抵抗(73Ω)---G(FET1)
| | S(FET1)
| E(Tr2)---| |
|---------B(Tr2) |
C(Tr2) |
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GND GND

※今は、下段のゲートとGND間にプルダウン用の抵抗20Kを入れてあり、上段のゲートとGND間にも同じ抵抗が入れてあります。ただ、上段について、どこかのサイトでプルダウン抵抗をモータの端子（上段のゲートと上段のソース間、、上段のゲートと下段のドレーン間、どちらか判りません）に持っててもよいとの記述があったような無かったような・・・どれが良いのでしょうか？
この回路で下段についてはうまくいってると思うのですが（回ってるし・・・）上段がやっぱっりうまくいきません、発熱がすさまじくモータはかなり低速です。何かいい方法はないでしょうか？できれば負電源は使いたくないのですが…

回答No.2

anachrockt · ベストアンサー

Nch-MOSFETだけでHブリッジを組むと，上側（ハイサイド）のMOSFETをドライブするのが非常に面倒になります．
上側MOSFETをオンさせるには，低圧ならソース（＝0V～電源電圧）より5V以上高い電圧が必要です．
その制約を乗り越えだ回路が，ここの29ページに載っています．
http://www.irf.com/technical-info/appnotes/an-978.pdf
高速ドライブでなければ，フォトボルでもいけます．
http://www.semicon.toshiba.co.jp/docs/datasheet/ja/Opto/TLP591B_TLP591B(C40)_ja_datasheet_020318.pdf

回路見ればわかるように，上側MOSFETをPchにする方がずっと簡単です．
電源電圧が500V以上だとPchが無いんで上記回路を使わざるを得ませんが，低圧だったらPchで決まりでしょう．

お礼

お返事ありがとうございます
確かに上段をＰチャネルで構成した方がはるかに簡単なのは判るのですが、
今回Ｎチャネルのみに拘ってるのは、「勉強用として」というのと、「反応速度の速いドライバが必要なため」と「多数キャリアがホールであるＰチャネルＦＥＴより、多数キャリアが電子であるＮチャネルＦＥＴの方が反応速度が速いので、Ｎチャネルのみで作ったドライバは、Ｐ，Ｎ両方で作ったものより速いだろう」という理由からです。
従って、少なくとも完成して自分で確認するまでは低圧だからＰチャネルで決まり、とはいきません。かなり面倒ですが妥協せずにやってみる予定です。
教えていただいたサイトも参考にしていきたいと思います。ありがとうございました

回答No.6

anachrockt

パワーMOSFETの一般的な知識については，この本を薦めます．
http://www.amazon.co.jp/dp/4526050717
ドライブ回路についても説明があります．

もうすぐCEATEC（旧エレショー）ですから，MOSFETメーカーの見学に行ってプレゼンテーション＆セミナーも聞いたらどうでしょうか？
http://www.semicon.toshiba.co.jp/event/exhibition/ceatec2008/index.html
日本の大手半導体メーカーは皆出ていますから，パワーMOSFET開発動向や製品説明を聞き，名刺もらって後でメールして親しくなれば，サンプルは戴き放題です．
パワーMOSFETの場合，上掲書によればキャリア移動度は正孔が電子の約1/3ですが，低圧ではPchとNchでオン抵抗が等しくなるチップ面積は3倍ではなく，ここの2ページにあるように2～3割増しです．
http://www.semicon.toshiba.co.jp/shared/presentation_pdf/tr_pwmos_lowvoltage-lowresistance-series_200702.pdf
要するにそうゆう風に作っているからで，スイッチングスピードもユーザーに合わせて作っています．
あまり高速にすると使いこなせるユーザーが少ないんでそうなっていますが，その辺の話は親しくなれば聞かせてくれます．

世界の半導体メーカーのパワーMOSFET開発動向や製品について知りたければ，このエレショーがお勧めです．
http://www.electronica.de/
中休みを取って，狂王の建てたバイエルンのお城見学もエエですよ．

お礼

お返事ありがとうございます
遅れてしまいすみません
＞＞＞日本の大手半導体メーカーは皆出ていますから，パワーMOSFET開発動向や製品説明を聞き，名刺もらって後でメールして親しくなれば，サンプルは戴き放題です．

そんな手もあったんですね…まぁ今回は学校で行けないんで、此れからはそういったイベント系にも目を通すようにしてみます。

ありがとうございました

回答No.5

walkingdic

>電源電圧を下げるわけにもいかないので昇圧回路を組むことになりそうです。

そうですか。とりあえず試験的であれば、乾電池３本程度をバッテリーと直列接続して、ハイサイドのゲート電圧に使う方法があります。
本格的にやるのであれば、コッククロフト・ウォルトン回路などが簡易的でよいでしょう。インダクタを使用したＤＣ－ＤＣにするならば、ＤＣ－ＤＣ用のＩＣを使う方が簡単です。

サーボ動作させないで、常時ＰＷＭ駆動されるものであれば、それを利用したチャージポンプという手もありますが（昇圧回路とＨブリッジ回路が兼用）、常時ＰＷＭが必要という制約が出ます。

ちなみに世の中でＮ－ｃｈハイサイドにする一番の理由は、Ｐ－ｃｈより安価で低オン抵抗のものがあるからです。Ｐ－ｃｈでＮ－ｃｈなみにするには面積が２倍必要で、それだけウエハを占有するからコストが上がります。コストを気にしなければＰ－ｃｈでもかなり低抵抗なものはありますよ。

お礼

お返事ありがとうございます
遅れてしまいすみません
＞＞＞、コッククロフト・ウォルトン回路
初耳でした…勉強しときます
最終的にマイコン制御を目的としているため、インダクタはちょっと…といった感じです。（ノイズ対策が完璧にできれば別なのでしょうか？）
もっと調べてみます
　ありがとうございました

回答No.4

anachrockt

何か誤解があるようですが，PchMOSはNchMOSに比べキャリア移動度は小さいけれど，「反応速度」が遅いわけではありません．
元々，縦型のパワーMOSは横型のMOSに比べて遅いんで，あえてNchにこだわるのは意味ないと思います．
横型のPchMOSとNchMOSを使ったCMOS-ICのマイコンだって，クロックは1GHz以上行ってますし．

例えば，市販されている中で最速（8MHz）のDC－DCコンバータICもPchMOSを使っています．
http://www.micrel.com/_PDF/mic2285.pdf

モータードライブで「反応速度」を云々してもモーターが追いつきませんから，ここを参考にフォトボル使えば楽ちんですよ．
http://www.nr.titech.ac.jp/~rshimada/?MERS%CD%D1%A5%C9%A5%E9%A5%A4%A5%D6%B2%F3%CF%A9

お礼

お返事ありがとうございます
遅れてしまいすみません
＞＞＞PchMOSはNchMOSに比べキャリア移動度は小さいけれど，「反応速度」が遅いわけではありません．
キャリア移動度＝反応速度に関係する、と思いこんでました。

＞＞＞モータードライブで「反応速度」を云々してもモーターが追いつきませんから
確かに…よくよく考えればその通りでした。
サイトの方も参考にします。　ありがとうございました

回答No.3

walkingdic

上段のＦＥＴをｏｎさせるには、ＦＥＴのソース電圧より数Ｖ高い電圧をゲートにかける必要があります。

で、上段のＦＥＴが完全にｏｎするということは、要するに電源電圧がモータにかかる、つまりソース電圧は電源電圧になるので、ゲートには電源電圧より高い電圧をかけないとＯＮしません。

これがハイサイドにｎ－ｃｈを使う場合の問題点です。

ご質問の状況は、ソース電圧が高くなっていくと、Ｖｇｓ（ゲート－ソース間電圧）が下がっていくため、その釣り合いの取れたところまでしかＦＥＴがＯＮしないという状況です。

ですから、ＦＥＴは完全にＯＮしていないので発熱がすごいし、モーターも電源電圧までかかっていないのでフルに回りません。

解決策としては、モーターに加える電源電圧より高い電圧の電源を用意して、ゲートにそちらの高い電圧をかけることになります。
別途用意するのが大変な場合には、チャージポンプなどの昇圧回路が必要になります。

お礼

お返事ありがとうございます
>>>モーターに加える電源電圧より高い電圧の電源を用意して、ゲートにそちらの高い電圧をかけることになります。別途用意するのが大変な場合には、チャージポンプなどの昇圧回路が必要になります。

バッテリーで１２Ｖを出すのですが、それ以上の電圧を得るように別途電源を用意すると重量的に問題が出てくるし、電源電圧を下げるわけにもいかないので昇圧回路を組むことになりそうです。

回答No.1

rabbit_cat

図はよくわかりませんが。
FETは、ゲート・ソース間の電圧でドレイン電流を制御する素子なわけです。というわけでスイッチ動作させたいときは基本的には、ソースを接地して、ドレイン側に負荷をつけて、ゲート電圧でコントロールします。
ソース側に負荷をつけた構成は、ソースフォロアということになります。この状態で電流を流すと、ソースの電圧は、ゲートの電圧－Vth 以下にしかなりません。電源12V、ゲート電圧5Vなら、ソース電圧は、4Vくらいでしょうか。つまり、モーターには４Ｖしかかかってませんから、ゆっくりしか回りませんし、ＦＥＴ（のドレインソース間）には12-4=8Vかかってますので、当然発熱します。

お礼

お返事ありがとうございました
参考にします