★太陽電池降圧型MPPT用FETの動作不良

質問

CQ出版社「太陽電池活用の基礎と応用」を買いまして、
P103にある降圧型MPPT回路を作ろうとしています。
（必要な部分だけの回路図を添付します）

１２Vシステムにおいて（太陽パネルは２０V強）
図のFET（Pチャン）にPWMをかけるわけですが、
（つまり降圧して電圧電流変換してMPPT）
周期を16～32マイクロ秒にしたいのですが、
（つまり周波数は約31Khz～62KHz）
ドレインD出力の「立下り」が遅くて電圧が下がらず、
結果的にPWMにならないのです。

下図に示したように、周期２ミリ秒に落としてみると、
（つまり500Hzの遅い周波数なのに）
電圧が下がるのに時間がかかっているのが分かります。
（ちなみにD出力には実際に電池やLEDを繋いである）
これをピシッとした立下りの矩形波にしたいのです。
（図のゲート電圧の矩形波のように）
そして周期を16マイクロ秒までにしたいのです

なお、図が見にくいかもしれないので、
YahooBoxで公開しておきます：
https://box.yahoo.co.jp/guest/viewer?sid=box-l-mki6t3ms5khgf6qqp4nwh3jk2a-1001&uniqid=a93321a5-d391-44f6-9cee-1c177557aa93&viewtype=detail

回路のここをこうしたらいいとか、
このFETがスイッチング特性が素晴らしいとか、
具体的にご教示くだされば嬉しいです。
どうかよろしくお願いします。

/E

回答No.7

xpopo · ベストアンサー

今晩は、

まだ、問題があるようですね。

ところで、GNDの曳きまわしですが、アップして頂いた回路図ですと、GNDをパワー系
と信号系（マイコンまわり）を分けて配線されていませんが、もし、そうだと、PWM
のon　Dutyが大きくなるにしたがって、スイッチング・ノイズのエネルギーも大きく
なりますのでマイコンがノイズで誤動作する確率も高まってゆきます。
とりあえず、GNDの曳きまわしとマイコンのVDDとVSSピンのピン直近へのデカップ用
セラミックC（0.1uF）の追加を回路図に追加しましたので確認ください。

　こちら　→　https://box.yahoo.co.jp/guest/viewer?sid=box-l-jt45g6kacr6hynrni2chtbtdgm-1001&uniqid=b06f6c78-ae25-440b-8a41-711a95742723&viewtype=detail

それから、発振とおっしゃってる現象ですが、どうもLの充放電周期で充放電の不連続が
発生してるようですね。Lの値が小さすぎると、FETがOff期間にダイオードを経由した
放電電流が次のFETがONする前にゼロになってしまっている（Dutyが小さいほど放電電流が
ゼロになっている期間の時間は長くなる。）ようです。Lの放電電流がゼロになると、
FETのドレインのインピーダンスが大きくなってしまい、インダクタとFETのC_DS、C_GD、C_GS
等の合成容量で決まる共振周波数で振動が起こります。これを不連続モードの発振といいます。
この発振は電流が殆ど流れていないのでエネルギーは小さいのでノイズとしてはあまり
気にしなくても大丈夫です。
　それよりも気になるのがLに流れる充電電流です。on－Duty＝90%で　６Aを超えてしまいます。
もっとも太陽電池側の内部抵抗がゼロと仮定し、出力電圧が１８Vとし、バッテリー（鉛蓄電池）
の内部抵抗を０．１５ｍΩとした場合ですが．．．。
インダクタとSBDのスペックは概略、３A定格ですから、充電電流が大きすぎますね。Lの値を
現状の４０ｕＨを基準で考えるとduty=75%で　充電電流は平均で２．９Aと計算できますので、
それ以上にはdutyを上げないようにコントロールする必要がありそうです。

お礼

こん＊＊わ。

実は一昨日夜、うまく動きました。
やった―――っ！

Xpopoさんが最初に送っていただいた図を見ていると、
あ、DとLとCを１つとして考えるべきだな、と気付き、
１つとして配置配線してからGNDに落としました。
そしたら「発振」せずにちゃんと動いたのです！
原因は「ノイズ」だったのですね！

そしたら今日このたび配線の悪さをご指摘頂きました。
「GNDをパワー系と信号系に分け」るべきなのですね！
DとLとCを１つにしただけで劇的改善しましたが、
さらにパワー系と信号系という考え方をするわけですね。
分かっている人にはきっと常識なのでしょうね。
これでさらに安定した回路になると思います。

しかし「不連続モードの発振」と「Lの過大な充電電流」
についてまだ理解不十分なので一抹の不安が残りますが、
いずれにせよちゃんと動いていますので一応ＯＫ！
またぼちぼち勉強させていただきます。
（Xpopoさんが友人で近くにおられたらいいのにな）

本当にありがとうございました！m(^_^)m

/E

回答No.6

xpopo

今晩は、

まず、
＞＞共振周波数で過渡的に振動
＞
＞そうですね。
＞試しに例えばD-S間に適当なセラミックコンデンサを入れてみると、duty90でおかしくなっていた
＞ものがOKとなり、かわりにduty50でおかしくなりました。共振点が変わったのですね。
＞ではduty0～duty100までの全域にわたってそれを避けるとしたら、どのような計算に基づいて
＞やるべきかも分からないので、とりあえず色々模索してみます。
＞
＞最初に悩んだ問題ですが、シミュレーションまでいて戴き、本当にありがとうございます。

　ここでお伝えしたかったのは電力変換回路のLC時定数よりも低い周期（この場合2msec）で
スイッチングを行うと本来、FETがonし、次にoffするまでの期間、Lに流れる電流は時間と共に
直線的に増加するはずの動作がそうならずに振動的になってしまいます。その結果FETがoffする
直前でLに流れる電流が最大値にならない。
　結果FETのドレイン端子の電圧は一瞬LOWに振れますが（少ないLの電流を非常に短い時間でGND
からのダイオードの経路で放電完了してしまい。）すぐに電力変換回路の負荷の電圧が現れる
ようになるという事です。
　これは誤動作でもなんでもなく、そんなに低い周期でスイッチングすればこういう動作になる
ということです。

＞＞スイッチング波形のなまりが大きく、Dutyが大きくなった場合にしっかりFETをスイッチング
＞＞出来なくなってしまうためではないか
＞
＞
＞そうなんです。そう考えて、わずか500Hzの低周波数で実験してみて、このOKWaveで質問したわけ
＞ですが、して戴いたシミュレーションでも確かに下降まで1msもかかっています。
＞これはこれで「今回の悩み」ですが、どうしたらいいものでしょうか。

　ここで、確認しておきたいのですが、最初に悩まれた時の回路でゲート・ドライブのSEPP回路の
ベースを電源PV+につっている抵抗の値が100kΩになってます。しかし、今回のご質問の回路では
10kΩになってますがこれは正しいですか？

　それから、もう一つ確認しておきたいのですが、電力変換回路の出力（LとCの接続点）から先の
負荷回路の正確な回路図はどうなってるのでしょうか？できれば回路図で示していただけると
助かります。

　次に、今回のお悩みについてですが、提示していただいた回路を元に（ただし負荷の回路は勝手
に推定。）シミュレーションしてみました。duty＝95％でシミュレーションした結果と回路を下記
の場所にアップしてあります。

　https://box.yahoo.co.jp/guest/viewer?sid=box-l-jt45g6kacr6hynrni2chtbtdgm-1001&uniqid=31c751fc-d0cf-493a-9346-f3dfb38ebad1&viewtype=detail

　条件は、スイッチング周波数　ｆ_switching＝32kHz　です。

シミュレーション結果ではFETのゲートの波形の立ち上がりがなまっていますが、何とかFETの
スイッチングは行われています。実際の回路ではシミュレーションには含まれない浮遊容量の
存在が可能性として考えられますので、ゲートの立ち上がりはもう少し改善しておきたいところ
です。
　同図の回路図のR2（10kΩ）を3.3kΩ程度まで小さくすることによりゲートの立ち上がりは大幅
に改善されます。
一応シミュレーションでも確認してあります。

補足

お世話になっております。
土日はさすがにお休みにして、
きのう月曜は何か結果出そうと悪戦苦闘しましたが、ダメでした。
レス遅くなりすみませんでした。

さて回路図ということで、下記にアップしました。
https://box.yahoo.co.jp/guest/viewer?sid=box-l-mki6t3ms5khgf6qqp4nwh3jk2a-1001&uniqid=226fc0c6-5d80-482a-8d69-acf00c6e67e8&viewtype=detail

負荷は普通の自動車用のバッテリーとお考えください。
（ただし試験的に単なるRをつなぐこともあります）
（PVも試験的には普通の電源ユニットを使うことも）

その後、他の人の実績の回路を参考に、
D3, R3, R9, C6 を追加してみました。
Duty=0から100までどれも発振せずにOKでした。
ヤッターッと喜んだのも、実は束の間でした。
Duty値固定ならいいのですが、例えば次のような場合ダメです。

最適点がduty＝90とした場合、
初期値duty＝50から始めたら徐々に＋＋される。
そしてduty＝85くらいにきたらリセット？されて、
また初期値duty＝50から始まる。
（以上、オシロスコープ観測結果）
ということは電源VDDが一時的に落ちるのかと思って、
三端子レギュレータの後に二重層コンデンサを入れてみた。
（これで電源が一時的に落ちることを回避）
それでもほぼ同じ現象が起こります。

外部リセットは使っていないし、
WDTはかなり長いので充分CLRWDTは働くはず。
初期値duty＝50から再起動されるのは、
電源が一時的に落ちた、以外に考えられるでしょうか？

その他、ご指摘のR2を3.3kΩにしたりもしましたが、
うまく動きません。
とにかくお手上げ状態です。
取り急ぎお知らせまで。

/E

回答No.5

xpopo

今晩は、

＞まずご質問にお答えします：
＞インダクタは全然発熱していません。
＞周期可変のPFMではなく、ちゃんとPWMのデューティ制御です。
＞ちなみに今回の私の「質問」に関連するかもしれませんが、
＞最初は次のような問題で悩んでいました：
＞（一言でいうと、回路が発振してPWMにならない）
＞
＞http://detail.chiebukuro.yahoo.co.jp/qa/question …

　「インダクタは全然発熱していません。」という事は電力変換回路の出力と
負荷の電池の間に電流を制限する抵抗が挿入されてませんか?もしその抵抗値が
数Ω以上あるとFETがoffからonになった直後から電力変換回路のLとCの
共振周波数で過渡的に振動が起こります。添付した回路図ではその抵抗値が
１０Ωの場合をシミュレーションしてみました。振動の周波数は約2.5kHz（L=40uH
とC=40uFで決まる周波数）です。
　この場合、Lに流れる電流の振幅は大きいですが0Aを中心に振れますのでDC的な
損失が発生しないので極端なインダクタの発熱が起こらないという事のようです。

　それから、最初に悩まれたという問題の原因は上で説明した電力変換回路の
LとCの共振により発生したのではないかと考えます。
　また、同時にマイコンの出力が異常になってますので、この現象の発生に
よりマイコンのGNDあるいはVDDが大きく変動したためにマイコンの誤動作を
引き起こしたのではないかと推定されます。マイコンの電源ラインには十分な
変動対策を施してるでしょうか？

＞そしてベスト回答のアドバイスにそって、
＞FETのD→S間にダイオードを入れて解決しました。
＞かのように思えたのですが、この方法だと、
＞次の問題が発生しました：
＞
＞dutyをゼロにして出力（負荷）を切り離そうとしても、
＞数ボルトが出力されるのです。
＞（この場合負荷は12VタイプのLEDで実験）
＞
＞そこで入れたダイオードをとると、この問題は解決。
＞しかし最初の問題が起こります。
＞
＞最初の問題（前出URL）を少し補足しますと、
＞・duty＝90くらいで発生
＞・duty＝100では発生しない
＞・負荷を接続しないと（電流が流れないと）発生しない
＞（だからインダクタの影響のはずです）

　前半のダイオードの挿入により挙動が変わるのはマイコンの電源に
スイッチング回路のノイズが影響してる様に思われます。
　後半のduty＝90くらいで発生し、duty＝100では発生しないのは添付
回路図のR2が100kΩと今回のご質問の回路の10kΩの１０倍もあるので
ゲートのスイッチング波形のなまりが大きく、Dutyが大きくなった場合
にしっかりFETをスイッチング出来なくなってしまうためではないかと
思われます。

補足

丁寧にご回答戴いてありがとうございます。

＞共振周波数で過渡的に振動

そうですね。
試しに例えばD-S間に適当なセラミックコンデンサを入れてみると、duty90でおかしくなっていたものがOKとなり、かわりにduty50でおかしくなりました。共振点が変わったのですね。
ではduty0～duty100までの全域にわたってそれを避けるとしたら、どのような計算に基づいてやるべきかも分からないので、とりあえず色々模索してみます。

最初に悩んだ問題ですが、シミュレーションまでいて戴き、本当にありがとうございます。

＞スイッチング波形のなまりが大きく、Dutyが大きくなった場合にしっかりFETをスイッチング出来なくなってしまうためではないか

そうなんです。そう考えて、わずか500Hzの低周波数で実験してみて、このOKWaveで質問したわけですが、して戴いたシミュレーションでも確かに下降まで1msもかかっています。
これはこれで「今回の悩み」ですが、どうしたらいいものでしょうか。

取り急ぎご返事まで。

/E

回答No.4

xpopo

今晩は、

　早速に補足して頂いたので、大分状況が掴めてきました。

　まず、「電力変換回路は挿入されている」、ということですのでFETがonからoffへ
変化した直後にドレイン電圧が高速で下がらない理由はインダクタのインダクタンスが
過電流によってコアの磁気飽和を引き起こし（1msecもの長い時間FETがon状態になって
いるとインダクタに流れる電流は10Aを軽く超えてしまうため、インダクタの
コアが磁気飽和に至る。）インダクタンス値が極端に下がってしまいます。そのため、
FETがoffになった瞬間後のドレイン電圧がGND電位以下に下がっている時間がオシロでも
観測できないほどに極端に小さくなってしまっている可能性があります。

　これはインダクタを触ってみれば分かります。もし、手で触れないほど加熱して
いればこの可能性が高いと言えます。インダクタンスが常温で40uHでも磁気飽和を
起こして加熱すると、極端に小さくなってしまいます。ですから、1msecもの長い時間
onさせる場合は、インダクタのコアの温度が上がらない短時間（せいぜい数百msec
以内）で通電を停止しないとまずいです。

　次に降圧の電圧の調整ですが、周期ではなく、周期は固定しておいてｏｎ期間の
ヂューティー比を変化させないと出来ませんが、もしかしたら周期を変化させて
電圧を変化させようとしてませんか？

　それから、ＦＥＴのスイッチングスピードですが、ark_kyotoさんの回路で問題ない
と思います。

　それから、前回の回答で添付した回路図のC1の値ですが、特に推奨はありませんが
40uF程度で大丈夫だと思います。降圧電圧の制御を高速に行いたい場合は値を小さく
する必要が出てくるかもしれませんがとりあえずはこの値で大丈夫だと思います。

　それから、ダイオードですが、ファーストリカバリーダイオードでも動作スピード
は問題ありませんが、ショットキーダイオードに比べてVFが大きいので損失が大きく
なります。できればショットキーダイオードに変更されたほうが良いと思います。

補足

まずご質問にお答えします：
インダクタは全然発熱していません。
周期可変のPFMではなく、ちゃんとPWMのデューティ制御です。

ちなみに今回の私の「質問」に関連するかもしれませんが、
最初は次のような問題で悩んでいました：
（一言でいうと、回路が発振してPWMにならない）

http://detail.chiebukuro.yahoo.co.jp/qa/question_detail/q1289712297

そしてベスト回答のアドバイスにそって、
FETのD→S間にダイオードを入れて解決しました。
かのように思えたのですが、この方法だと、
次の問題が発生しました：

dutyをゼロにして出力（負荷）を切り離そうとしても、
数ボルトが出力されるのです。
（この場合負荷は12VタイプのLEDで実験）

そこで入れたダイオードをとると、この問題は解決。
しかし最初の問題が起こります。

最初の問題（前出URL）を少し補足しますと、
・duty＝90くらいで発生
・duty＝100では発生しない
・負荷を接続しないと（電流が流れないと）発生しない
（だからインダクタの影響のはずです）

どうか宜しくお願いしますm(^^)m

/E

回答No.3

xpopo

今日は、

まず、PWMで電圧を降圧変換したいようですが、その為のインダクタ、大容量コンデンサ、
ショットキーバリア・ダイオードで組んだ電力変換回路をスイッチングFETのドレインと
負荷（電池やLED等）の間に挿入されてますか？降圧型MPPTでは必ずこの電力変換回路が
必要になります。（図を添付しました。）
　この電力変換回路が組み込まれていればPMOS　FETがOffされるとドレイン電圧はその直前に
負荷の電力変換回路路のインダクタンスに流れていた電流を維持するためにGNDから
ショトキーバリア・ダイオードを経由して同じ電流を引き抜き始めます。そのため、
PMOS　FETがOffされるとドレイン電圧は高速で　GND－VF（ショットキー・ダイオードの
順方向電圧降下）≒－0.5V（流れる電流値で少々変化する。）程度の小さな電圧に落ちます。
　この電力変換回路が無ければ、PMOS　FETがOffされてもドレイン電圧は負荷の電圧が電流供給
を断たれた後、バッテリー電圧がバッテリーの負荷に流す電流で降下してゆくその電圧が
ドレインの電圧変化として見えてく事になります。
　まずは、この電力変換回路が正しく挿入されてるでしょうか？挿入されている場合は
インダクタンス値？、コンデンサ容量？、ショットキーバリア・ダイオードの型番？
等を、また、負荷に流れる電流平均値（A)と最大値（A)も教えてください。

補足

補足させて戴きます。

・「電力変換回路」は勿論挿入しています。
（アップした回路図では省いてました(^^;）

あと、
・インダクタンス値：　４０μH
・コンデンサ容量：　４０μF
・ダイオード型番：　ER５０４
・電流平均値：　１A
・電流最大値：　３A
ＥＲ５０４はファーストリカバリーダイオードでした。
これがダメだったのかも？

なお、入力側太陽パネルは１８V
バッテリー（負荷）は１２Vです。

ちなみにご添付下さった電力変換回路の
C1の容量を教えて戴けないでしょうか？

/E

回答No.2

wakwak_koba

ゲートはキレイに電荷が抜けてますね。

どの程度の負荷で測ってますか？
負荷なしだと電気の行き先がないのでどうしようもないですよ。
ぶっちゃけ、デューティ比0（OFF固定）でもコンデンサに蓄えられた電荷だけでしばらく電圧維持しちゃいますし。。

マイコンのプログラムが分からないですが
いくらなんでもデューティ比0％にすればいずれ電圧は下がるはずです。
最低デューティ比はいくつまで下げられる仕様なのでしょうか？

なんとなく手応えとしてはマイコンが電圧計測に失敗しているような気がしなくもないです。

たしか後段のコンデンサ 47μF くらい付けておられたと思いますが、
実際にバッテリーを接続させていないのであれば、その50～100倍 2200μF～4700μF くらいに変えてみてください。

バッテリーはESRの大きいコンデンサと等価ですが、もしバッテリーなしで色々と試されているのだったら 47μF はあり得ないくらい小さすぎます。

盛大にリプルが載った状態で電圧測定してるんじゃないのか？って危惧してます。
（実際の電圧よりも過小な電圧と評価してて、マイコンがデューティ比を下げる努力を怠ってる）

補足

負荷は、バッテリーもしくはLEDライトで実験しました。
CQ出版の本の通りに作ろうとしたのですが、
部品が入手できず、ドレイン出力先のダイオードを、
（アップした図では省略していました(^^;）
ファーストリカバリーにしていました。
これがいけなかったのかもしれません。
ちなみに 47μF は本の通りにした容量です。

/E

回答No.1

m_and_dmp

2SJ471のスイッチング特性（http://html.alldatasheet.jp/html-pdf/63097/HITACHI/2SJ471/1995/8/2SJ471.htmlのPage 8参照)によれば、立下り時間（ゲートを遮断したとき、ドレイン電圧が90%から10%になるまでの時間）が130nS(=0.13μS)になっていますので、周期16μSのスイッチングには問題なく使用できるデバイスだと思います。
ドレイン電圧の波形はドレインにどのような負荷を接続したときの波形でしょうか？電池を直接接続したら電池の電圧より下がることはありませんし、開放（オシロのプローブのみ接続）なら、図のようになることは理解できます。数Ω～数十Ωの純抵抗を接続して波形を見てください。
なお、電池を接続した状態でスイッチング波形を観測する場合は、ドレインとアース間に数百Ωの抵抗器を接続し、ドレインと電池間にショットキーダイオードを挿入すると良いと思います。

補足

アップした図には省略してしまいましたが、
実はファーストリカバリーダイオードを使っています。
それがいけなかったのかもしれません。

/E