DCヒータの制御

質問

ヒータのワット数は24V、600Wです。
ヒータの電源として24Vスイッチング電源を用います。
DCヒータの出力を制御する場合、SSRでON/OFFするのが一般的かと思います。
これを、制御電圧が0Vのときに0V (0A)、5Vのときに24V (25A) がヒータに印加されるようにしたいのです。

このような、SSRの代わりとなる製品はあるでしょうか？
どうぞよろしくお願いします。

回答No.9

bogen555 · ベストアンサー

> IGBTのIc-Vgeのグラフがわりとなだらかなので、
> ゲート電圧に比例して電流を制御できるかも、と考えました。
スイッチングではなくてリニアレギュレータですか？
リニアレギュレータでは、理論損失が25A/2=12.5Aの時最大となり、600W÷4=150Wあります。
最大周囲温度65℃、最大ジャンクション温度125℃とすると、熱抵抗が(125-65)÷150=0.4℃/W必要です。
これにあうIGBTは例えばこんなのですね。
http://www.niec.co.jp/products/pdf/phmb300e6.pdf
ジャンクション－ケース間の熱抵抗は0.12℃/Wだから、ヒートシンクの熱抵抗は、0.4-0.12=0.28℃/Wになります。
このクラスのヒートシンクのカタログを見ると、ファンでしっかり強制空冷にしないといけないようです。
http://www.ryosan.co.jp/business/heatsink/pdf/08.pdf
実際に作るときは、MOSFETとオペアンプでチャンとした定電流回路にして、コンプライアンス電圧を24Vに近づけるようにします。
コンプライアンス電圧とゆうのは定電流回路の出力電圧のことで、専門用語です。

とゆうことで、放熱にかかる手間とコストを考えれば、やっぱりスイッチングでしょう。

なお、電源出力のON/OFF機能で間に合う市販の電源については、foobarさんが電源メーカーに問い合わせ中だと思いますから、報告を待ちましょうね。
僕の設計経験から言うと、起動ストレスが大きすぎるために、コスト重視の市販電源では1分ごとのON/OFFでも、寿命は補償できないと思いますけど。

お礼

今まで様々なアドバイスありがとうございました。
大変参考になりました。

補足

回答ありがとうございます。

> リニアレギュレータでは、理論損失が25A/2=12.5Aの時
> 最大となり、600W÷4=150Wあります。

オン抵抗が50mΩなら25^2 × 0.05 = 31Wくらいで済む (これでもかなりのものですよね、、) かと思ったのですが、150Wですか、、

回答No.10

foobar

分単位のON/OFFでもきついですか、これは失礼しました。
（もっとも、熱時定数的に出力のON/OFFでは間に合わないとのことなので、その時点で選択肢から外れますが。）

回答No.8

foobar

最終的に制御したいものが温度の場合、ヒータで制御するものの熱時定数や必要な温度精度によっては、電源出力のON/OFF機能で間に合う（そんなに短時間、高頻度でのON/OFFの必要はない）場合もあるかも。

出力電圧や出力電流を外部制御可能な電源を使って、制御ループ組むのが一番いいでしょうが。

補足

回答ありがとうございます。

ON/OFF制御だと、対象の温度が上下する可能性があり、電圧または電流を制御信号に比例して出力できないか？と考えていました。

回答No.7

bogen555

> 発熱の問題でそういう使い方はしないのでしょうか？
そういう使い方ってえのがどうゆう使い方かよくわかりませんが・・・
IGBTは数100V以上の中高圧用で低圧スイッチングでは損失が大きすぎて使う人はいません。
PWM波形を直接ヒーターに加えるだけにすると、ノイズを周辺に巻き散らかすことになるので、お勧めできません。
入力電圧に対する出力電流の直線性はいい加減でもエエんなら、MOSFETでスイッチングして簡単なLCフィルタをつければエエでしょう。
回路としては、降圧型コンバータになります。フリーホイールダイオード（ショットキで40V25A程度）を忘れないように。
MOSFETのドライブ信号は、PWMコンパレータを自作して作ります。
PWMコンパレータについては、検索してみてください。
お勧めはマイコンのPWM出力で、出力電流の直線性をソフトで補正することで、結構よくすることができます。
PWM周波数は、ヒーターの熱容量が大きいんで、結構低くすることができます。
PWM周波数を低くすると、降圧型コンバータ風とはいっても出力はPWM出力になって、LCフィルタは立ち上がり、立ち下がりの高周波分に対してだけ効くようになりますが、大丈夫でしょう。

安価で高効率を狙うと、電源とヒーターの共通線が+24Vになりますが、大丈夫でしょうか？
絶縁する場合は、このような絶縁型のMOSFETのドライバを使います。
http://www.analog.com/jp/power-management/mosfet-drivers/products/index.html
前に紹介したフォトボルは遅すぎてPWM出力には向いていません。

スイッチング電源のAC側にSSRを入れるのは、突入電流防止回路がリセットされないため全くだめです。
スイッチング電源自体が持つ出力のON/OFF機能は、短時間・高頻度のスイッチングには対応していません。
電源メーカーに問い合わせるか、こんな設計書を読めばすぐわかることですけどね。
http://www.amazon.co.jp/dp/0071482725

ところでこれは業務でやるんでしょうか？
もしそうなら、前に紹介した菊水の電源を薦めます。
そうでなくて人件費がゼロでやるんなら、色々試行錯誤してみてください。

補足

丁寧な回答ありがとうございます。

> そういう使い方ってえのがどうゆう使い方かよくわかりませんが・・・

IGBTのIc-Vgeのグラフがわりとなだらかなので、ゲート電圧に比例して電流を制御できるかも、と考えました。

> ところでこれは業務でやるんでしょうか？

はい、、このくらいなら何とかお金かけずに出来るかな？と考えたのですが、結構難しそうですね。
電源を買ったほうがいいかもしれません。

回答No.6

bogen555

数10台必要なら特注を薦めますが、1台だけならここの「PGA30-25 30V/25A \182,000円」が開発費を考えれば安上がりです。
http://www.kikusui.co.jp/catalog/?model=pag
http://www.kikusui.co.jp/catalog/pdf/files/2012/pag.pdf
外部直流電圧で、CC（定電流）制御ができます。

回答No.5

bogen555

> 制御電圧が
> 0Vのときに0V (0A)、
> 5Vのときに24V (25A)、
> その中間の電圧の場合は、2.5Vのときは12.5Aのように、
> それに比例して電流を出力したいのです。
そうゆうことなら、損失の問題でリニア・レギュレータとゆうわけにはいかないから、24V電源の後にスイッチング・レギュレータを付けることになりますね。
24V電源は後付け電源の効率からこのADA750F-24がよいでしょう。
http://www.cosel.co.jp/jp/products/sub01-5.html
後付けスイッチング・レギュレータは制御性の問題から、反転型コンバータを薦めます。
制御電圧が0V～5Vのとき、出力電流が0A～25Aになるように設計すれば大丈夫でしょう。
反転型コンバータにCUKコンバータを使えば、ノイズは更に低下します。

後付けスイッチング・レギュレータの設計に自信がなかったら、電源メーカーに特注すればOKです。
今はどこも仕事がないようですから、喜んでやってくれるでしょう。

補足

回答ありがとうございます。

、、、結構大変ですね。
MOSFETやIGBTで簡単に出来るかな？と思っていたのですが、どちらもスイッチングで使用するみたいですし。
発熱の問題でそういう使い方はしないのでしょうか？

回答No.4

tadys

スイッチング電源のAC側にSSRを入れる方法が有ります。
この場合、高速なオン／オフは出来ません。人間の操作に追いつくぐらいは可能ですが。

DC側でオン／オフするのであれば直流用のSSRを使用する必要が有ります。
例えば、デジキーで購入できるものに下記が有ります。価格は約6000円
http://www.digikey.jp/product-detail/ja/84134870/646-1229-ND/1816831

自作をするのであれば、安全の為、制御入力とDC出力はフォトカプラ等で絶縁した方が良いです。
制御用にMOSFETを使用してゲートドライブ用にPS9505L1などのゲートドライバを使うのが良いでしょう。
http://www.digikey.jp/product-detail/ja/PS9505L1-AX/PS9505L1-AX-ND/2601917

回答No.3

foobar

スイッチング電源自体に出力のON/OFF機能があれば、それを使うという手もあるかと思います。

回答No.2

bogen555

> DCヒータの出力を制御する場合、SSRでON/OFFするのが一般的かと思います。
SSRでON/OFFするのは、ACヒータの場合ですね。
DCヒータにSSR使うと、ONできてもOFFできないでしょう。

DCヒータにはこれがええんじゃないかな。
http://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-06022/
データシートの「Fig 4. Normalized On-Resistance vs. Temperature」をみると
http://akizukidenshi.com/download/ds/ir/IRLB3034PBF.pdf
80℃でもオン抵抗(2mΩ)の上昇が1.3倍以下だから、損失PDは
PD=1.3*RON*I^2=1.3*0.002*25^2=1.625W
だから、小さなヒートシンク（例えばこれ）で充分。
http://akizukidenshi.com/catalog/g/gP-00429/
これだと温度上昇は25℃程度で収まるようです。
なお、ヒートシンクとMOSFETは絶縁されてないから、ヒートシンクが他に接触しないよう注意して実装します。
制御電圧入力と出力を絶縁したい場合は、このようなフォトボルを入れます。
http://www3.panasonic.biz/ac/j/search_num/index.jsp?c=detail&part_no=APV1122

回答No.1

noname#215107

普通にパワーMOS-FETでスイッチングするのではだめでしょうか？

電源のプラス側で制御するならPチャネル、マイナス側ならNチャネルFETを使えば楽に回路設計ができて便利です。
値段は１００～３００円くらいです。
http://akizukidenshi.com/catalog/c/cpowmos/

放熱はしっかり行ってください。

補足

回答ありがとうございます。

すみません、言葉足らずでした。

制御電圧が
0Vのときに0V (0A)、
5Vのときに24V (25A)、
その中間の電圧の場合は、2.5Vのときは12.5Aのように、それに比例して電流を出力したいのです。