FETの選定方法

質問

充放電に使用するFETを選定しています。
しかしFETをあまり使用したことがなく知識がありません。

探しているのは、下記のような仕様です。
==========================
Id=DC20Atyp,　maxDC30A
OFF時のリーク電流=数uA程度
Ta=-20℃～70℃
VDS=8.8V～26.6V
必要なヒートシンク=放熱設計の知識がないので
　なんともいえませんが、出来るだけを小さい方が良いです。
==========================
NECのホームページなどをみると、DC30Aを流せるような
FETはたくさんあります。
しかもSOPでで凄く小さいです。

DC30A程度なら、放熱とかは考えなくて良いのでしょうか？
どなたか詳しい方がいたら回答お願い致します。

回答No.7

walkingdic · ベストアンサー

>θcaは必要とするヒートシンクの熱抵抗ということでしょうか？
そういうことです。ｃａ、は、つまりケース（ｃａｓｅ）温度と大気温度（ａｉｒ）の間の熱抵抗という意味です。

>私の記述した計算だとマイナスになっていますが、
>2.86℃/Wあれば良いということなのでしょうか？
そういうことです。

>θja(トランジスタの接合部から大気までの熱抵抗)
>=(Tjmax-Ta)/Pcとあります。
>これからすると、
>Ta=70℃のとき、
>θjc=(Tjmax-25℃)/Pcmax=5℃/W
>θja=(Tjmax-Ta)/Pc=1.754℃/W
残念ながら手元にご質問者の見ているトラ技ノートがないのですが、
式から考えると、
Pcmaxの定義は、ケース温度が２５℃のときに許容できる最大消費電力
でしょう。それがわかるとθｊｃは求めることが出来ます。

次の式は不明点があり、判断つきかねます。前の式で求めたθｊｃより値が小さいというのは明らかにおかしいです。なぜならば、熱抵抗は、接合部（ｊｕｎｃｔｉｏｎの温度なのでｊと書く）からたどると、

接合部－－－θｊｃ－－－－ケース－－－θｃａ－－－大気

となり、θｊａ＝θｊｃ＋θｃａなので、θｊａ＜θｊｃにはなりえないのです。
（熱抵抗は必ず正の値になりますから）

＞データシートよりθc=3.75℃/W
これはどこから得た数値なのでしょうか。θｃというのはどことどこの間の熱抵抗ですか？またそれはデータシートのどこに書いてあるのでしょうか。
データシートには、熱抵抗値はθｊｃとθｊａが書かれています。
あとは許容損失グラフがあるだけです。

＞θfa=θja-(θjc+θc)=-6.996℃/W
＞となります。
この式がまったく理解できません。
おそらく、記号の定義がかなり違うのではないかと思います。
もし、θｆａがケースと大気の間の熱抵抗だと仮定すると、
θｊａ＝θｆａ＋θｊｃ＋θｃ

という式になります。このとき、θｊｃ＋θｃあわせて接合部からケースまでの熱抵抗を表しているのだと考えられます。
この場合には、最終的にθｊａが希望の値になるようにすればよいことになります。
そういう視点で話をすすめると、

大気の温度のｍａｘを４０℃、接合部温度を１５０℃、流れる熱量は１７．１Ｗであれば、

θｊａ＝（１５０－４０）／１７．１＝６．４３℃／Ｗ

になります。データシートによるとθｊｃは３．５７℃／Ｗと書かれていますが、これは上記の式のθｊｃ＋θｃに他ならないので、θｆａの式にすると、

θｆａ＝θｊａ－（θｊｃ＋θｃ）＝６．４３－３．５７＝２．８６℃／Ｗ

となります。私の先の回答での答えと一致します。

>確かに2SK3662のデータシートにはRth(ch-a)=62.5℃/Wという記述があります。
>私の計算には全く出てきていないので不思議には思っていたのですが・・・
この値は今は使いません。
この値はあくまで放熱板がない場合の素の状態での接合部から大気までの熱抵抗です。
さすがに３０Ａ流すと１７．１Ｗとかなりの消費電力になるので、放熱板なしだと、６２．５×１７．１＝１０６９℃にもなりますので、Ｔｊｍａｘ＝１５０℃を守るためには、仮に大気が絶対零度（－２７３．１５℃）でも放熱が間に合いません。

つまり放熱板は必須ということになります。

お礼

ありがとうございました。
記述いただいた内容で放熱のことが理解できました。
理解した上で参考書を読み直してみたら凄く分かりやすく、
計算があいました。

回答No.10

anachrockt

最も簡単なのは，この手の電磁接触器と抵抗を使うことでしょう．
http://www.fa.omron.co.jp/data_pdf/cat/j7l_1.pdf

ただし，50kJものエネルギーを無駄に熱にするのは，エコの時代にいかがなものかと言うこともありますから，放電エネルギーは回生したらどうでしょうか？
専門メーカにお願いすれば作ってくれるとは思いますが，製品として長く使える設計をしたいということでしたら，ここに相談してみたらどうでしょう．
http://www.myway-labs.co.jp/

回答No.9

anachrockt

電気二重層キャパシタの充放電試験回路でしょうが，
非常に問題の多い回路だと思います．
左側が2倍の60Aになるのは，何か電流制限しているんでしょうか？
きちんと制限しないと，MOSFETが飛びますけど．
放電抵抗を1Ωとして，30A流すと抵抗損失は900Wです．
900Wの大抵抗に見合ったMOSFETを選択すべきでしょう．
充電抵抗は60Aから概略0.47Ωとすれば，1700Wとさらに
大きくなります．
本当の損失は，50600Jのエネルギーを充放電しますから
シミュレーションすることを勧めます．

回答No.8

miran_2006

>御指摘の通り、左側は2倍の60Aになります。
では、右側のFETは60A以上のものを探すか、数個をパラで使ってください。
>質問なのですがIDPとは何を意味しますか？
FETのデータシートを見ると最大定格の表にIDとIDPがあります。
IDPはパルス的な電流に対する耐力を意味します。
データシートの中にIDPの定義が書かれていると思いますので参照してください。

>条件としては、コンデンサの容量が約1000Fで7ヶ直列で、
>最大で27V程度になるということしか決めていません。
つまり、約140μFの静電容量で一時的に補佐するような制御になるって事ですね。30Aですので、時間的には非常に短い時間の放電って事になりますね。
そこで、問題に成るのがサイクルの周期です。
#7さんもジャンクション温度の事を書かれていますが、一定周期のサイクルで充電、放電、待ち、を繰り返す場合は、デューテー比を掛けたりします。
どんな負荷を、どんな周期で、どういった事をしたいのかもう少し具体的に書かれたほうが良いように思えます。

色々書きましたが、概ね下記のようなFETで良いように思えます。
http://www.semicon.toshiba.co.jp/docs/datasheet/ja/Transistor/2SK3845_ja_datasheet_061116.pdf

回答No.6

walkingdic

>Ron=19mΩとするとId=DC30Aのとき
>Pd=Ron×Id×Id=17.1Wではないでしょうか？
ああ、私の計算が間違っていましたね。
電力を求めるところが電圧を求めて終わりにしていましたね。

>Tjmax=100℃のときデータシートよりPdmax=約15W
>また、Ta=70℃とすると
>θjc=(Tjmax-25℃)/Pcmax=5℃/W
>θja=(Tjmax-Ta)/Pc=1.754℃/W
>データシートよりθc=3.75℃/W

こちらの計算は、データシートにあるθjc = 3.57℃/W, θja=62.5℃/W，Ｔｊｍａｘ＝１５０℃から逆算していきます。
まず、ヒートシンク前提とする場合に関係するのは、θjcです。
いま最大消費電力は１７．１Ｗなので、ケースまでを考えると、

ΔＴjc=３．５７＊１７．１＝６１℃

となります。ジャンクション温度の最大値１５０℃からこれを引くと、８９℃になります。
要するにケース温度を８９℃以下にすればよいという意味です。
外気温が最大で４０℃とすると、ケース温度が８９℃になるための熱抵抗θcaは、

θca=（８９－４０）／１７．１＝２．８６℃／Ｗ

になります。つまりこれを満たす放熱を考えればよいわけです。
もちろん常時ジャンクション温度が最大の１５０℃になるのは寿命が短くなりますので、実際にはこれより数十度低い温度になるようにしたほうがよいですが、アプリケーションで平均（ピークである必要はない）の電流値が３０Ａよりひくく、２０Ａ程度ならば、実際には１５０度にはなりませんので、上記熱抵抗値で十分でしょう。

２．８６℃／Ｗという熱抵抗値であれば、ヒートシンクをつければ強制空冷でなくても出来るかもしれません。強制空冷であれば２℃／Ｗ以下には出来ると思います。

なお、他の方も指摘しているように、リニア動作の場合には消費電力がかなり増えるのですが、ご質問者のスイッチングとして使う用途（つまり簡単に言えば完全ＯＮと完全ＯＦＦのどちらかしか使わない）であれば、ＯＮ時の抵抗だけ考えればよいでしょう。

お礼

たびたびのご回答ありがとうございます。
θcaは必要とするヒートシンクの熱抵抗ということでしょうか？
私の記述した計算だとマイナスになっていますが、
2.86℃/Wあれば良いということなのでしょうか？

全くの素人なのでトラギを参考書に計算したのですが、
間違った見方をしているのでしょうか？
参考書：トラギSpecialNo1(p104)には、
θja(トランジスタの接合部から大気までの熱抵抗)
=(Tjmax-Ta)/Pcとあります。
これからすると、
Ta=70℃のとき、
θjc=(Tjmax-25℃)/Pcmax=5℃/W
θja=(Tjmax-Ta)/Pc=1.754℃/W
データシートよりθc=3.75℃/W
θfa=θja-(θjc+θc)=-6.996℃/W
となります。

トラギにはθcaという記述が出てこなかったので、
私は、全く勘違いをしているのでしょうか？
確かに2SK3662のデータシートにはRth(ch-a)=62.5℃/Wという
記述があります。
私の計算には全く出てきていないので不思議には思っていたのですが・・・

回答No.5

miran_2006

下記の内容でしたら、通常のスイッチング動作ですので、スイッチング用のFETで良いと思います。
図についてですが、一番下のFETは左右共にソース接地ですよね。
ソース接地でない場合は、ゲートに制約がでてきますのでご注意下さい。
ソース接地であると仮定してFETの選定は、右側のFETは、
電源電圧÷負荷抵抗＝ID
上記IDに少し余裕を持たせた物で漏れ電流の少ない物を探せば良いと思います。

左のFETですが、負荷電流はコンデンサからの電流＋電源からの電流になります。
合計で30Aにしたいのなら、電源の最大出力電流を考慮してください。
それと、コンデンサの容量が不明なのですが、精々数千μF程度なのであれば、あっと言う間に放電してしまいますので、定格のIDではなくIDPの数値を引用できるかもしれません。

いずれにしても、もう少し条件がはっきりしないと他の皆さんも回答しにくいと思います。
条件としては、放電抵抗の抵抗値、電源のスペック、コンデンサの容量、動作電圧などです。
それと、ちょっと実験で使いたいレベルなのか、製品として長く使いたい等も重要なファクターですね。

>左側に充電用の電源、右側に負荷を取り付けます。
>(+)---------+-----------+
>　　　　　　　　　=　　　　　　　　|
>　　　　　　　　　=　　　　　　　　R
>　　　　　　　　　=　　　　　　　　|
>(-)--FET----+----FET----+
>コンデンサが満杯になれば左のFETをOFFして充電を止める。
>コンデンサがある値以下になったら右のFETをOFFして放電を止める。
>といったようなものを考えています。
>コンデンサは最大で27V程度になり、最大で30Aくらいを流したいのです。
>また、FETで放電を止めたときにコンデンサの電荷を出来るだけ減らしたくないので、リーク電流を少なくしたいのです。

お礼

たびたびのご回答ありがとうございます。
御指摘の通り、左側は2倍の60Aになります。
質問なのですがIDPとは何を意味しますか？
素人ですみません。
条件としては、コンデンサの容量が約1000Fで7ヶ直列で、
最大で27V程度になるということしか決めていません。
あと周囲温度が-10℃～70℃程度で動作すればと考えています。
製品として長く使える設計をしたいでが、
製品になるわけではありません。
まだまだ勉強中の身ですので、こちらで色々ご教授いただけて、
非常に勉強になります。

回答No.4

miran_2006

FETのカタログに載っているON抵抗とは、スイッチング動作（ON/OFF）のONの時の抵抗値です。
データーシートの中に安全動作エリアのグラフがありますが、通常はその中で動作させるように設計しますが、質問者さんは、充放電の素子としてFETを使用したいみたいですので、その場合は能動領域での動作と言うことになります。
能動領域と言うのは非常に厄介で、計算しにくく、#2さんが言うようにバイポーラトランジスタを使うことをお勧めします。
また、あまりリニアリティは求めないのならば、数個のFETに抵抗負荷をぶらさげて段階的に制御する方法もあります。この方法であればスイッチング動作で使用できますので、わりと簡単です。
それ以外では市販の電子負荷機能付きの安定化電源を使えば何も考えず実現できます。

お礼

ご回答ありがとうございます。
FETよりバイポーラトランジスタの方をお勧めとありますが、
何か良いデバイスはありますでしょうか？
私なりにRSのカタログより探してみたのですが、
30Aを流せるようなものは見つかりませんでした。
また、出力が2段になっているもので大電流を流せるものがあったのですが、それはリーク電流が数mAと大きくなっていました。
大電流を流せるものはリーク電流が大きいのは当然の結果なのですが、
30A流せてリーク電流も数uAに抑えたいのです。
そのような場合は、FETやトランジスタではそもそも無理なでしょうか？

回答No.3

walkingdic

まず、放熱に関してはＯＮ抵抗が重要です。
ＭＡＸ３０Ａ流したときにこの抵抗値の分だけ発熱しますので、発熱を小さくするには抵抗値が少ない必要があります。
ご質問の条件で探すと、東芝の2SK3662(ＲＳオンラインで一個１６０円）あたりはよいかもしれません。
これはＯＮ抵抗は最大で１９ｍΩなので、３０Ａ×１９ｍΩ＝５７０ｍＷです。（Ｖｇｓは８～１０Ｖ程度与えた方がよいです）
熱抵抗は大気までで６６℃／Ｗだから、３７．６２℃の温度差、約４０℃の温度差になるとすれば、外気温６０℃までの環境で考えてもジャンクション温度は１００℃で、許容最大の１５０℃より５０℃低いから、放熱は必要ありません。

以上はＮｃｈＦＥＴで考えましたけど、ＰｃｈＦＥＴなら同様にお考え下さい。

ちなみにＳＯＰパッケージのものは、基板放熱タイプのことがあります。
これは放熱を基板のパターンで逃がす形になっているので、プリント基板を作らないといけませんし、リフローでクリーム半田にて実装が必要です。

Ｔ０－２２０のような普通のパッケージを選択するのがよいです。

お礼

ご回答ありがとうございます。
参考になりました。
回答をヒントに私なりに計算してみました。
素人なので間違っていたらご教授下さい。
Ron=19mΩとするとId=DC30Aのとき
Pd=Ron×Id×Id=17.1Wではないでしょうか？
Tjmax=100℃のときデータシートよりPdmax=約15W
また、Ta=70℃とすると
θjc=(Tjmax-25℃)/Pcmax=5℃/W
θja=(Tjmax-Ta)/Pc=1.754℃/W
データシートよりθc=3.75℃/W

よって必要なヒートシンクは、
θfa=θja-(θjc+θc)=-6.996℃/Wというここになり、
不可能という結果になってしまうのではないでしょうか？
素人の私が回答とトラギから自分なりに計算してみたので
計算があっているのか自身がありません。
ご教授いただければ幸いです。
ご回答お願い致します。

回答No.2

anachrockt

1. Id=DC20Atyp,maxDC30A は，直列抵抗で制限されていますか？
2. MOSFET は，スイッチング動作ですか？

この2つの条件があれば，ヒートシンクは不要ですしIdmax=50A以上のSOPでも
OKですが，取り付けにくいからIdmax=50A以上のTO-220かTO-3Pがエエでしょう．
OFF時のリーク電流は，Vdsmaxを60V以上にすれば，実力値で数uA程度にはなります．

もし，Idmaxが制限されていなくて，MOSFETがリニア動作だったら，
非常に設計が難しいから，バイポーラ・トランジスタを勧めます．

お礼

ご回答ありがとうございます。
電流は直列の負荷で制限されます。
スイッチング動作ですか？の質問が理解できなかったので、
行いたいイメージを説明させていただきます。
左側に充電用の電源、右側に負荷を取り付けます。
(+)---------+-----------+
　　　　　　　　　=　　　　　　　　|
　　　　　　　　　=　　　　　　　　R
　　　　　　　　　=　　　　　　　　|
(-)--FET----+----FET----+
コンデンサが満杯になれば左のFETをOFFして充電を止める。
コンデンサがある値以下になったら右のFETをOFFして放電を止める。
といったようなものを考えています。
コンデンサは最大で27V程度になり、最大で30Aくらいを流したいのです。
また、FETで放電を止めたときにコンデンサの電荷を出来るだけ減らしたくないので、リーク電流を少なくしたいのです。

回答No.1

mtld

maxDC30A　で　リーク電流=数uA程度　ドレイン漏れ電流ですね？

電流の大きな物ほどリーク電流も大きく　数ｍA前後ですね

FETは小さくとも　ヒートシンクは必要です　SOPで数十A？　これはdutyの小さい１％とかのパルス動作でしょう
FETが小形ですと熱伝導が悪いですし放熱に工夫がいります　電力はPdで仕様が決まっており　
Pd＝ドレイン電圧×ドレイン電流　ドレインソース間電圧１Vで電流１０Aなら１０Wとなります　１０Wの放熱は結構大変です

カタログに載っていても手に入るかは解りません
殆どは入手不可能と思って下さい　販売店にあるものから選ぶしかありません　他はネットオークション