テキスト ボックス:       パワーMOS FET 使用レポート
      「電子負荷装置の製作」

                  2009年7月 KY
◎はじめに
パワーMOS FETは「高速コウソク大電流ダイデンリュウをスイッチング」する分野ブンヤ使用シヨウされます。
スイッチング素子ソシとしては「バイポーラトランジスタ」が従来ジュウライからありますが、
パワーMOS FETは高速コウソク、ON抵抗テイコウヒクのが特徴トクチョウです。
今回コンカイ高速コウソク分野ブンヤではありませんが、電力デンリョクケイ制御セイギョ素子ソシとして応用オウヨウしたレイ
紹介ショウカイ(レポート)します。
◎MOS FETの使ツカカタ
MOS FETの回路カイロシンボルを1にシメします。(エンハンスメント特性トクセイ
電極デンキョクは、
D (ドレイン)
G (ゲート)
S (ソース)
の3つで、それぞれトランジスタの場合バアイ
対応タイオウさせると
D → C(コレクタ)
G → B(ベース)
S → E(エミッタ)
になります。また、nチャネルとpチャネルの2タイプになり、これもトランジスタに対応タイオウ
させると、
nチャネル→NPN
pチャネル→PNP
になります。
エンハンスメント特性トクセイとは2 b ) 、d ) のように、
nチャネルの場合バアイ
ゲート・ソースカンにプラスの電圧デンアツアタえるとドレイン電流デンリュウ増加ゾウカ
pチャネルの場合バアイ
ゲート・ソースカンにマイナスの電圧デンアツアタえるとドレイン電流デンリュウ増加ゾウカ
デプレッション特性トクセイとは2 a ) 、c ) のようにゲート・ソースカン電圧デンアツがプラス、マイナス
どちらの区間クカンでもドレイン電流デンリュウ変化ヘンカします。
パワーMOS FETはほとんどの場合バアイ、「エンハンスメント特性トクセイ」です。
テキスト ボックス:   エンハンスメント特性での重要な特性

 図3においてゲート・ソース間電圧VGSの電圧を上げて、
 ドレイン電流が流れはじめるVGSの値を「ゲートしきい値電圧
 Vth」と言います。
 これは、FETをスイッチング素子として使用した場合
 にFETがOFFになるゲート電圧を意味します。

 Vthを規定するドレイン電流の値は各FETにより異なり
 ますので各FETのデータシートで確認します。
 
★MOS FETのスイッチング回路カイロ
基本的キホンテキなスイッチング回路カイロ4にシメします。
a ) のnチャネルカタはゲートにプラスの電圧デンアツアタえればFETがONし、b ) のpチャネル
はゲート電圧デンアツがゼロ(GND)でFETがONします。
どちらもゲートしきアタイ電圧デンアツVth以下イカでOFFし、ONするような電圧デンアツクワえることにより
ONします。
抵抗テイコウRgはnチャネル、pチャネルどちらも入力ニュウリョクがオープンになったトキ接地セッチ抵抗テイコウまたは
プルアップ抵抗テイコウです。
これがいと入力ニュウリョクがオープンになったトキにFETの動作ドウサ不安定フアンテイになります。
タトえば、入力ニュウリョクがスイッチ接点セッテンでオープンの状態ジョウタイがある場合バアイ抵抗テイコウRgを接続セツゾクします。
電子デンシ負荷フカ
パワーMOS FETは前述ゼンジュツのように「高速コウソク大電流ダイデンリュウをスイッチングする」分野ブンヤ使用シヨウされ
ますが、今回コンカイはこの応用オウヨウとして「電子デンシ負荷フカ装置ソウチ」を製作セイサクしました。
電子デンシ負荷フカとは
タトえば、5のように電源デンゲン装置ソウチ出力シュツリョク特性トクセイ試験シケンオコナ場合バアイ大電力ダイデンリョク負荷フカ抵抗テイコウ
必要ヒツヨウになり、この部分ブブン可変カヘン抵抗テイコウノゾましいです。
しかし、大電力ダイデンリョクタイプの可変カヘン抵抗テイコウ入手ニュウシュムズカしいことと、可変カヘン抵抗テイコウわりに
いくつかの大電力ダイデンリョク固定コテイ抵抗テイコウ用意ヨウイするのも大変タイヘンです。
これにタイして、6のように可変カヘン抵抗テイコウ部分ブブンをトランジスタまたはFETトウのアクティブ素子ソシ
えたものを「電子デンシ負荷フカ」といます。
FETはゲートにクワえる電圧デンアツによりドレイン電流デンリュウ
制御セイギョし、トランジスタはベースにナガ電流デンリュウ
によりコレクタ電流デンリュウ制御セイギョしますので、これは、
7のようにそれぞれ、「ドレイン・ソースカン
または「コレクタ・エミッタカン」はカタえれば
可変カヘン抵抗テイコウ素子ソシ」です。
これを電子デンシ負荷フカ装置ソウチとして応用オウヨウした代表的ダイヒョウテキ
動作ドウサモード「テイ電流デンリュウモード」の動作ドウサ原理ゲンリ
8にシメします。
トランジスタの制御セイギョ電圧デンアツにオペアンプを
モチい、バーチャルショートの性質セイシツ利用リヨウ
したもので、トランジスタの電流デンリュウIoはカナラず、
Io = Vref / Rs
になります。
Vrefを可変カヘンしすれば連続レンゾク可変カヘン自由ジユウにIoのアタイ設定セッテイすることが出来デキます
9に設定セッテイレイシメします。
もう1つの代表的ダイヒョウテキ動作ドウサモードの「テイ抵抗テイコウモード」の動作ドウサ原理ゲンリ10にシメします。
このモードではVinに関係カンケイなく、R1,R2,Rsによりテイ抵抗テイコウとして動作ドウサします。
テイ抵抗テイコウでの設定セッテイレイ11にシメします。
簡易カンイハン電子デンシ負荷フカ装置ソウチ製作セイサク
簡易カンイハン
テイ電流デンリュウモード」だけの簡易カンイハン電子デンシ負荷フカ装置ソウチ製作セイサクしてみました。
オモ仕様シヨウ
装置ソウチ電源デンゲン電圧デンアツ
内蔵ナイゾウ乾電池カンデンチタン3×4)または外部ガイブDC電源デンゲン(9V〜15V)
テイ電流デンリュウレンジ
3Aおよび0.3Aをスイッチで切換キリカエ
テイ電流デンリュウ設定セッテイ
「SETボリューム」と調整チョウセイヨウ「FINEボリューム」
テイ電流デンリュウアタイ測定ソクテイ
外部ガイブ電流デンリュウケイ測定ソクテイ
許容キョヨウ消費ショウヒ電力デンリョク
ヤク30W
電池デンチ電圧デンアツ検出ケンシュツ機能キノウ
電池デンチ電圧デンアツヤク70%で「アラームLED」を表示ヒョウジ
電子デンシ負荷フカ装置ソウチクワえられる許容キョヨウ電圧デンアツ使用シヨウするFETの耐圧タイアツ左右サユウされます。
筆者ヒッシャ場合バアイ最大サイダイでも24Vまでしかアツカいませんので許容キョヨウ電圧デンアツは24Vとカンガえています。
許容キョヨウ消費ショウヒ電力デンリョク放熱ホウネツフクんだFETの許容キョヨウ消費ショウヒ電力デンリョク左右サユウされます。
今回コンカイ製作セイサクしたものは放熱ホウネツをケース内部ナイブ実装ジッソウしたため、許容キョヨウ消費ショウヒ電力デンリョクテンでは
不利フリです。実際ジッサイ使用シヨウした結果ケッカヤク30Wまでとカンガえています。
回路図カイロズ
12に簡易カンイハン回路図カイロズシメします。
乾電池カンデンチ電池デンチ寿命ジュミョウを70%とすれば、6V×70%=4.2V の電圧デンアツ動作ドウサするオペアンプを
採用サイヨウしています。(ナショセミのLMC6482)
動作ドウサ電圧デンアツは6Vまたは5Vにこだわる必要ヒツヨウはありません。
製作セイサク微少ビショウ信号シンゴウまたは高速コウソク信号シンゴウアツカうわけではありませんのでトクに、部品ブヒン配置ハイチ
配線ハイセン注意チュウイする必要ヒツヨウはありません。
ただし、「3Aがナガれるルート」はスコフトめのセンザイ筆者ヒッシャはAWG22を使用シヨウ)で配線ハイセンします。
また、「LOAD」のクロは、やたらとホカのGNDへ接続セツゾクしないで、R1,R2のGNDへ接続セツゾクし、
電源デンゲンのGNDへ単独タンドクモドします。
★FETと放熱ホウネツ選択センタク
FETはヒク電圧デンアツ駆動クドウ必要ヒツヨウです。
ゲート・ソースカン電圧デンアツが2VくらいでスウAのドレイン電流デンリュウナガれるFETを選択センタクします。
今回コンカイ使用シヨウのFETは東芝トウシバの2SK2313です。
オモテイカク以下イカシメします。
・ドレイン・ソースカン電圧デンアツ
60V
・ドレイン電流デンリュウ
60A(DC)
許容キョヨウ損失ソンシツ
150W(Tc=25℃)
・チャネル・ケースカンネツ抵抗テイコウ
0.833℃/W
データシートではゲート・ソースカン電圧デンアツ
2V近辺キンペン場合バアイのドレイン電流デンリュウアタイ
にくかったので、実験ジッケンして確認カクニンしました。
2SK2313にチカ特性トクセイとしてオナ東芝トウシバの2SK1381があります。
放熱ホウネツオオきいほどノゾましいです。今回コンカイはケースナイ実装ジッソウするために写真シャシン1のような
放熱ホウネツ使用シヨウしました。筆者ヒッシャ手持テモちのものでメーカー、型番カタバン不明フメイですが参考サンコウ
としてサイズを写真シャシン1にシルします。
また、FET(2SK2313)と放熱ホウネツとの実装ジッソウ状況ジョウキョウシメします。
FET自身ジシン放熱ホウネツはドレインです。したがって、写真シャシン1のように「絶縁ゼツエンシート」が必要ヒツヨウです。
テイ電流デンリュウ制御セイギョ回路カイロ14にシメします。
検出ケンシュツ抵抗テイコウRsにはそれぞれ
3Aレンジ→0.5Ω、10W、セメント抵抗テイコウ
0.3Aレンジ→5Ω、1W
です。ホカ抵抗テイコウでもいです。
3Aレンジヨウには10Wのセメント抵抗テイコウモチいましたが、3A連続レンゾク動作ドウサではかなり抵抗テイコウ
アツくなります。20Wタイプがいとオモいます。
今回コンカイ基板キバン実装ジッソウ面積メンセキ関係カンケイで10Wにしています)
オペアンプへのVrefはNJM431をモチい、電圧値デンアツチは2.5Vです。
必要ヒツヨウ電圧デンアツ(スケール)になるようにVR1,VR2,VR3のわせをめればいです。
VR2は電流デンリュウ設定セッテイの「調整チョウセイヨウ」です。これがあるとコマかな設定セッテイラクになり、おススめします。
電池デンチ電圧デンアツ検出ケンシュツ
オペアンプが2りなので、アマったほうを利用リヨウして「電池デンチ電圧デンアツ検出ケンシュツ機能キノウ」を追加ツイカして
みました。
電源デンゲンスイッチ内蔵ナイゾウ表示ヒョウジLEDをコンパレータの基準キジュン電圧デンアツとした回路カイロです。
電池デンチ電圧デンアツタカ場合バアイは、コンパレータのマイナス端子タンシのほうがプラス端子タンシよりタカ
のでコンパレータ出力シュツリョクは「L」レベルです。したがって、「BATT-LED」は消灯ショウトウ
この電池デンチ電圧デンアツ低下テイカしてヤク70%くらいになると今度コンドはコンパレータのマイナス端子タンシ
ほうがプラス端子タンシよりヒクくなるので出力シュツリョク反転ハンテンしアラームLEDの「BATT-LED」を点灯テントウ
させて、電池デンチ交換コウカンシメします。
基板キバン製作セイサク
部品ブヒン点数テンスウスクないのでユニバーサル基板キバン製作セイサクしました。
写真シャシン2に内部ナイブ配線ハイセン様子ヨウスを、15に内部ナイブ構造コウゾウシメします。
ユニバーサル基板キバン放熱ホウネツのサイズにカットし、金属キンゾクスペーサを利用リヨウして放熱ホウネツ
背中セナカわせに実装ジッソウします。
写真シャシン1のように部品ブヒン点数テンスウスクないので基板キバンウエにはかなりの余裕ヨユウがあります。
放熱ホウネツ、セメント抵抗テイコウネツちます。写真シャシン1ではあまり綺麗キレイではありませんが、
センザイ放熱ホウネツ、セメント抵抗テイコウ接触セッショクしないようにタバセンします。
ケースはTAKACHIの「MB-4」です。
今回コンカイは「カバー」と「シャーシ」をギャクにしてモチいています。
つまり、15のようにカタログではこの部分ブブンがシャーシですが、これを「カバー」として
モチいています。
ケースは市販シハンの「ラッカースプレー」
塗装トソウしてみました。
夏場ナツバ塗装トソウ乾燥カンソウハヤいので
作業サギョウラクです。
放熱ホウネツがケースナイ実装ジッソウですので、
放熱ホウネツ効率コウリツげる目的モクテキで「カバー」
にはいくつものマルアナけます。
放熱ホウネツをケースソトせば
放熱ホウネツ効果コウカがっていの
ですが、放熱ホウネツがむき
ですと、ユビ)がたったトキ
アツくてイタいのでこのような構造コウゾウ
にあえてしています。
★ケース外観ガイカン
写真シャシン3に「フロントパネル」、写真シャシン4に「リアパネル」の外観ガイカンシメします。
チルトスタンドをモチいました。やはり、チルトスタンドがあると非常ヒジョウ操作性ソウサセイ
なります。
使用シヨウしたものは
TAKACHI の「CT-1」
で、ケースMB-4のサイズにぴったりです。
「レンジ切換キリカエ」スイッチは最大サイダイ3Aナガれます。使用シヨウしたものは「トグルスイッチ」で
テイカク6Aのものです。
リアパネルにある「FUSE」は装置ソウチ保護用ホゴヨウです。なんらかの原因ゲンインで3A以上イジョウナガれた
場合バアイ回路カイロ切断セツダンして保護ホゴします。
リアパネルの「DC I」のジャックは「電流デンリュウケイ接続セツゾクヨウで、マルチメータを接続セツゾクします。
ケースサイズをオオきくして、電流デンリュウモニターヨウの「アナログ電流デンリュウケイ」を搭載トウサイできれば
さらに使ツカ勝手ガッテのよいものになるとオモいます。
★シャーシの構造コウゾウ
16にシャーシの構造コウゾウ
シメします。
電池デンチボックス」と「チルトスタンド」
けられます。
電池デンチボックスのアナ加工カコウ
スコ面倒メンドウですが、出来上デキアがって
みると非常ヒジョウ操作性ソウサセイいです。
使用シヨウした感想カンソウ
動作ドウサ入力ニュウリョク電圧デンアツ範囲ハンイ
簡易カンイハンテイ電流デンリュウ設定セッテイアタイは「3A」、「0.3A」の2レンジです。
入力ニュウリョクされる電圧デンアツVinのアタイタカければ最大サイダイ電流デンリュウ設定セッテイアタイ(フルスケール、3Aまたは0.3A)
まで制御セイギョできます。ただし、Vinのアタイヒク電圧デンアツ場合バアイ、フルスケールアタイ(3Aまたは0.3A)
近辺キンペン制御セイギョ出来デキません。
そこで、17のように動作ドウサ可能カノウ制御セイギョ可能カノウ)な入力ニュウリョク電圧デンアツ測定ソクテイしてみました。
「3Aレンジ」はVinが2.5Vまでは3Aまで制御セイギョでき、1Vでは1.32Aまで制御セイギョ出来デキます。
オナじように「0.3Aレンジ」の場合バアイ17 b ) にシメします。
この結果ケッカから、おおむね、乾電池カンデンチ電圧デンアツ1.5Vまでは2Aまでの設定セッテイ自由ジユウ出来デキます。
(Vinが2.5Vまでであれば、3Aまで自由ジユウ設定セッテイできる)
許容キョヨウ消費ショウヒ電力デンリョク
Vinに18Vをクワえて1Aのテイ電流デンリュウヤク3分間フンカン連続レンゾク動作ドウサではケース表面ヒョウメンが「ほんのりと」
アタタかくなります。
このトキ消費ショウヒ電力デンリョク  18V×1A = 18W です。
今度コンドはVinが18Vで3Aの設定セッテイ(つまり、18V×3A=54W)では1分間フンカンほどでケース表面ヒョウメン
温度オンドが「かなり、アツくなってきたかな」というレベルでサワれないほどではありません。
これらを考慮コウリョすると、連続レンゾク運転ウンテン動作ドウサ)での許容キョヨウ消費ショウヒ電力デンリョクは20〜30Wとオモわれます。
放熱ホウネツのサイズをオオきくし、ケースのソトせば、許容キョヨウ消費ショウヒ電力デンリョクオオきくれると
オモいますが、今回コンカイ極力キョクリョク、コンパクトに仕上シアげることと、余計ヨケイ突起物トッキブツさない
ことが目的モクテキでしたので、これで「し」と自己ジコ満足マンゾクです。
★DC/DCコンバータの効率コウリツ試験シケン電子デンシ負荷フカモチいる
実際ジッサイ使用シヨウレイとして「DC/DCコンバータの効率コウリツ試験シケン」をオコナいました。
以前イゼンの「HT7750A使用シヨウレポート」で100μHでのデータが不足フソクしていましたので、
インダクタに100μHをモチいた場合バアイ効率コウリツ測定ソクテイです。
写真シャシン5に測定ソクテイ風景フウケイ測定ソクテイ回路カイロ18にシメします。
電流デンリュウアタイ設定セッテイに「FINE」の調整チョウセイボリュームをつけたのは使ツカ勝手ガッテいです。
スウワット程度テイドの「DC/DCコンバータ」の効率コウリツ測定ソクテイにはこのようなコンパクトな電子デンシ負荷フカ
のほうが作業サギョウダイであまりスペースをらないのでいです。
トクに、乾電池カンデンチ動作ドウサ便利ベンリ
電子デンシ負荷フカカク電流デンリュウアタイにセットし、このトキ入出力ニュウシュツリョク電力デンリョク測定ソクテイします。
このようにして測定ソクテイしたインダクタ100μH(RTP8010の100μH)での効率コウリツデータ
をグラフ1,2にシメします。(詳細ショウサイはHT7750Aレポートを参照サンショウネガいます)
写真シャシン5の測定ソクテイには電子デンシ負荷フカ内蔵ナイゾウ乾電池カンデンチ動作ドウサさせています。
このトキ消費ショウヒ電流デンリュウは「ヤク18mA」です。消費ショウヒ大部分ダイブブンはNJM431と電源デンゲン表示ヒョウジLEDの
電流デンリュウです。電源デンゲン表示ヒョウジヨウのLEDにはもうスコ輝度キドタカいLEDを使用シヨウして、この部分ブブンでの
消費ショウヒ電流デンリュウ削減サクゲンすればいとオモいます。
いずれにしてもタン3電池デンチで18mAの消費ショウヒ電流デンリュウですから、それほど電池デンチ寿命ジュミョウにしなく
てもいかもしれません。
長時間チョウジカン使用シヨウであれば外部ガイブACアダプターを使ツカえば問題モンダイない)
今後コンゴ改良カイリョウ改善カイゼンテン
DC/DCコンバータなどの効率コウリツ測定ソクテイでは写真シャシン5のように電圧デンアツ電流デンリュウ測定ソクテイにマルチメータ
が4ダイ必要ヒツヨウです。
写真シャシン5ではDC/DCコンバータの入力ニュウリョク電力デンリョクはDC電源デンゲン内蔵ナイゾウのデジタル表示ヒョウジ直読チョクドク
マルチメータ4ダイスコオオげさです。せめて、電子デンシ負荷フカガワでの電圧デンアツ電流デンリュウ
マイコントウモチいてデジタル表示ヒョウジさせればいとオモいます。また、せっかくのマイコン
ですから、同時ドウジ負荷フカガワでの消費ショウヒ電力デンリョクもデジタル表示ヒョウジさせれば、さらに使ツカ勝手ガッテ
電子デンシ負荷フカ装置ソウチになるとオモいます。