パワーMOSFETのゲートドライブ電流について

質問

こんにちは
最近電子回路を始めたばかりの初心者です。

今回インバータ回路を作り、PWM制御で正弦波（100Hz）を作っていろんな回路に使用しようかと思いました。
作ろうと思う回路図は、このPDFファイルのp134の図1.6.2の50AクラスのものをパワーMOSFETに置き換えてHブリッジにしようかと考えています。
http://www.semicon.toshiba.co.jp/docs/catalog/ja/14362D1AG-08-2_catalog.pdf

とてもきれいな正弦波を作りたいので、100Hzの半周期の5000[μs]を100点に分割したものが正弦波の最大値時のパルス幅（50[μs]）と考えて、正弦波の最大値時のパルス幅を50で割ったものを最小値時のパルス幅（1[μs]）にして正弦波を作ろうかと考えています。

そのためにスイッチングのターンオン時間などを短くしないといけないと思い、次のパワーMOSFET(TK10A50D)を使おうかと思ったんですが、http://www.semicon.toshiba.co.jp/docs/datasheet/ja/Transistor/TK10A50D_ja_datasheet_100603.pdf
ゲート電流が分からないので、いろんなところを探して回って見つけた式1/tr*Ciss*Vgを使ってゲート電流を計算すると、（tr＝25[ns]、Ciss＝1050[pF]、Vg＝+15-(-15)＝30[V]）
Ig＝1.26[A]と出てきました。一瞬とはいえかなりの大電流が流れるのでとても驚きました。フォトカプラの二次側の電源として使おうと思っていたものはDC-DCコンバーター(出力0.05[A])なので、電流が全然足りません。
ゲート抵抗を増やせば、電流を減らせるということなのですが、ターンオン時間もあまり伸ばしたくないと思っていまして・・・

悩んでもなかなか解決できないので、分かる方いらっしゃいましたらよろしくお願い致します。

回答No.4

bogen555 · ベストアンサー

「スキルアップWeb講座 PWM方式D級パワー・アンプの設計」のリンクを忘れてますね。
ここの中右下です。
http://toragi.cqpub.co.jp/

パワーMOSFETのゲートドライブについては、先日買ったこの雑誌にも詳しく載ってました。
「トランジスタ技術SPECIAL No.117　最新・高効率パワー・デバイス活用法」
http://www.cqpub.co.jp/trs/index.htm

負荷がモータ以外の正弦波インバータについては、D級パワー・アンプが必要なことは理解したことと思います。
D級パワー・アンプについては、この本が入門書として最適です。
「D級/ディジタル・アンプの設計と製作」
http://www.cqpub.co.jp/hanbai/books/30/30391.htm

荒木先生の「スキルアップWeb講座 PWM方式D級パワー・アンプの設計」は、その上を狙ってますから、初心者には理解できないかも？

お礼

分かりやすい回答と資料等をありがとうございました。
おかげでなんとか回路のほうが出来そうになって来ました。
また機会がありましたら、どうぞよろしくお願いします。

回答No.3

bogen555

先ず、パワーMOSFETとIGBTのドライブは同一には論じられません。
IGBT用として推奨されているTLP250のデータシートをみると立ち上がり・立ち下がりとも0.5μs=500nsです。
tr＝25[ns]なんてとても実現できません。
どうするかとゆうと、パワーMOSFETのドライブ回路については、IRの資料が参考になります。
http://www.irf-japan.com/jptechnical-library.htm
これとかですね。
http://www.irf-japan.com/technical-info/appnotes/AN-978.pdf

次に、いろんなところを探して回って見つけた式1/tr*Ciss*Vgは間違ってます。
とゆうのは、CissはVgs=0Vの時の値で、Vgs=15Vのときは大幅に増加します。
メーカーによっては、ここのp.4「Figure 7. Capacitance Variation」のように発表しているところもあるけど大抵はだんまりを決め込んでます。
http://www.onsemi.jp/pub_link/Collateral/NTB5404N-D.PDF
その場合にどうするかとゆうと、TK10A50Dデータシートのp.4「ダイナミック入出力特性」のQgから計算します。
コンデンサの基本式：Q=CV、電気の常識：Q=∫idt≒Itから、式はI=Qg/trですね。
Qg=30[nC]とすれば、tr＝25[ns]ならIg＝1.2[A]です。
直流電流Ig(DC)は平均値だから、Ig(DC)=Ig*tr/T=25*1.2/50,000=0.6[mA]ですね。
十分に平均化できるようにコンデンサを入れればOKでしょう。

ところで、モーターの場合は巻き線で電流が平均化されるからOKですが、負荷がモーター以外の時は出力にLCフィルタが必要です。
また、当然のことながら過負荷保護とか、負荷がいきなりオープンになった時に破損防止のためのブレーキ回路とか、いろんな保護回路が必要です。
LCフィルタも信号用フィルタ回路の参考書ではインピーダンス・マッチングが前提で設計してますが、インバータ用では信号源インピーダンスはゼロで、負荷インピーダンスは最大出力～オープンまで、出力電圧がほぼ一定になるように設計します。
ここで連載されている「スキルアップWeb講座 PWM方式D級パワー・アンプの設計」が参考になります。
筆者の荒木先生はこのように時々セミナーをやってるから、受講してみたらどうでしょうか？
http://cs3.el.gunma-u.ac.jp/AnalogKnowledge/News/2011/News20111125.html

回答No.2

tadys

DC-DCコンバーターの出力として常時1.26[A]必要なわけでは有りません。
電流が必要なのは一瞬なので、コンデンサに貯めておいてそこから供給すればいいのです。
大雑把に言って、コンバータの平均の出力電流としてはゲート電流×デューティ比程度です。
必要なコンデンサの容量はドライブ中に低下する電圧をいくらにするかで決まります。
ただし、コンデンサはセラミックコンデンサの様なESRの小さなものを使用してください。

普通のフォトカプラは立ち上がり／立ち下がり時間が長いしドライブ電流が少ないので使用できません。
ゲートドライブ専用のICを使いましょう。
http://www.semicon.toshiba.co.jp/product/opto/selection/coupler/list/photocoupler_ic_igbt.html

補足

回答有難う御座います。
よろしければ、コンデンサの容量の計算の仕方とコンデンサの入れる場所を教えていただいてもよろしいでしょうか？色々とすみません。

回答No.1

P0O9I

そのために、ドライブ用のICがあります。それを使うのが一番簡単です。
フォトカプラ機能を内蔵した絶縁型というのもあります。

http://www.google.co.jp/search?q=mos+driver&ie=utf-8&oe=utf-8&aq=t&rls=org.mozilla:ja:official&hl=ja&client=firefox

補足

回答有難う御座います。
ドライブ用のICを見たのですが、私にはどの型番の物がいいかよく分からなくて・・・
よろしければドライブ用ICの選び方を教えていただいてもよろしいでしょうか？