MOSFETのゲートドライブ電流

質問

こんにちは
最近趣味でマイコン（PIC）を始めたばかりの初心者です。
（電子回路も詳しくありません。）
PICの出力（吐き出し電流5V、最大25mA）をMOSFETにつなぎ、
12V1Aほどの負荷（DC電球）を数ヘルツ程度の低速でON/OFFする回路を考えています。
PICのプログラムはLEDで動作確認できましたが、12V1A程度の電源がないので
実験できず、机上で確かな計算をする必要があります。

ゲートには適当な抵抗をつけて直接PICにつなげばいいと思っていたんですが、
その『適当な』抵抗の値をいくつにすればいいのか、わからなくて色々調べていたら、
なにやら『ゲートドライブ電流』というのがあるとわかりました。
1/tr*Ciss*Vgで求めるということです。

使おうと思って買ってきたMOSFET（2SK2782）のデータで
http://www.semicon.toshiba.co.jp/td/ja/Transistor/Power_MOS_FET/20050902_2SK2782_datasheet.pdf
計算するとtr=15ns,Ciss=880pFで、約290mAということになります。

この『ゲートドライブ電流』というのは、トランジスタとは違って
D-S電流の大小にかかわらず、いつもこの値を流さないといけないんでしょうか？
1Aの負荷をON/FFするのに、290mAも流さないといけないとしたら
どっか私が誤解しているとしか思えないのですが…

MOSFETにした理由は、PICの出力をほぼ直接つなげられ、（そういう回路をよく見かけたので）
部品点数が減らせるということでした。
またトランジスタをつかうと、大きな電流を扱うものはヒートシンクが
必要になりそうで工作が大変になる。というのもありました。

よろしくおねがいします。

回答No.4

Teleskope · ベストアンサー

>>　MOSFETにした理由はport出力を直接つなげられ部品点数が減らせる、また（バイポラー）トランジスタをつかうと大電流を扱うとヒートシンクが必要になりそう <<

　拝見しました、
nice decision、いいFETを選択しましたね、このパッケージは数個なら DIP-ICの足と同じ 2.54mm ピッチに立てて実装できて小さくおさまるので私も使ってました。
負過の電流と点滅頻度からして、heat-sink不要、ゲートに入れる直列抵抗も不要です。（バイポ育ちの人は生活習慣的に抵抗を付けたがりますが今回は不要です。）

　ぜひFETで育ってFETのノウハウを身に着けてください。FETはバイポのような熱望走も起きないし、バイポでは禁止技の並列駆動が得意技です、今回関係ないですがゲート充放電を高速にしたい場合はマイコンのportを並列に繋ぐこともできます、などなどです。

　心がけは、リセット後portをすぐ出力状態にすることですね。

　余談ですが；
もし方式的にどうしてもフロートがあり得る場合は、ゲート直列抵抗ではなく並列プルダウン抵抗（100kΩとか無駄ない電力消費が無い値）を付けます。これも立てて実装できる抵抗アレイがお奨めです。

もう一つ参考までにゲート駆動抵抗の高度な話です；
http://oshiete1.goo.ne.jp/kotaeru.php3?q=1012880
　No13の波形。大きな抵抗を付けて重い仕事をさせると ゲートにこんな「邪魔な波形」が現れるので 抵抗はできるだけ小さくします。
　ゲートとドレイン間のCrssは ゲート電圧で充放電されてるのではありません。FET自体が「反転型アンプ」で このコンデンサは負帰還素子です。

お礼

ありがとうございます。
なんとかなりそうな見通しがたってうれしいです。

回答No.3

foobar

ヒートシンク
FETでも大電流を扱う場合には、ヒートシンクが必要です。
FET内部での発熱(スイッチング時の損失や、ONしているときのジュール発熱)を逃がして、温度上昇を規定値以下に抑える必要があります。

ゲート電流
ON/OFFするときには、ゲートの入力容量Cissの充放電電流以外にも、帰還容量Crssの充放電電流も考慮する必要があります。（ON/OFFに伴って、ドレインの電圧が変わるので、Crssには結構大きな充放電電流が流れます。)

お礼

そうですか。
いろいろ難しいですね。
ありがとうございます。

回答No.2

tnt

その電流値を求める式に答えがあります。
Cissって、何かわかりますか？
ゲートの入力容量です。

MOS-FETのゲートには確かにほとんど電流は流れませんが
（電圧だけ掛ければよい）
ここには容量（コンデンサ成分）があります。
で、必要な電圧を掛けようとすると、
コンデンサが充電されるまでの電荷を与える
必要があるのです。
ですから、290mAが流れるのはその充電（または放電）の
為の電流で、流れるのは一瞬です。
PICには電流制限回路がついているので、
壊れないかもしれませんが、そういう使い方は
信頼性を損ねます。

で、速度は数ヘルツですよね。そうしたら大き目の
抵抗で電流制限をしてください。
PICの出力ピンとFETのゲートの間に入れます。

そうすると式の中のtr（立ち上がり時間ですよね）が
遅くなりますから、最大電流は減ります。

たとえば、1mSにすると、CR=Tより、R=1MΩとなります。
電流は５μA、問題ないですね。

実際はインピーダンスが高くなると不安定になるので、
ここまでやりません。
PICの出力電流を5mAとして1kΩで電流制限します。
これでPICは大丈夫。
次に1kΩ＊880pFで時定数を計算し、
素子の時定数よりも充分長く、（15nSより長い）
要求速度よりも充分短い（数ヘルツよりも短い）事を
確認すればＯＫです。
実際に計算すると1μSですので、1kΩで大丈夫ですね。

気をつけるのは、PICのポートがこの時間、きちんと
ＯＮ(off)になっている必要があることです。
普通は大丈夫ですが、TRISS命令などで他のポートの
方向を切り替える場合には注意してください。
RA,RB,RCの組が異なっていれば問題ありません。

お礼

詳しくありがとうございました。
次に進めそうです。

回答No.1

foobar

MOS-FETのゲートは等価的にコンデンサと同じように見えます。
で、ゲート電圧を0からVgまで上げるためには、このコンデンサCissを充電する必要があります。(逆にVgから0にするときには放電する必要があります。)
この充電に必要な電流が、ゲート電流です。
充放電を急速に行う(tgが小さい)為には、大きな電流で充放電する必要があります。

ゲート電流が必要なのは、コンデンサを充電するときと放電するとき、つまりスイッチをOFFからONに変える瞬間と、ONからOFFに変える瞬間だけです。

お礼

わかりました。
ありがとうございます。