ゲートドライバICの発熱

質問

P型とN型で構成したFETについて、対角のFETのみをONとしてモータを駆動するテストをしております。
マイコンからの5VのPWM出力を制御の元にしております。
使用しているゲートドライバはTC4427で、対角をONにするために、PWM出力をインバータで反転したものと、反転をしないものを用いています。

PWMを周期24KHzで比4%の時にモータが回転し始めることを確認したのですが、
この際、ゲートドライバが発熱し、放っておくと焼けてしまう問題を抱えております。
ゲートドライバを用いることでゲートのON、OFFを高速にすることで可聴域以上の周期でモータを
駆動させることを目的としています。

FETもゲートドライバも電源は共に12Vであり、ゲートドライバとFETの中間にはダンピング抵抗？として20Ωを挟んでいます。また、ゲートドライバのデータシートに記載があったように、電源にはコンデンサを入れております。

手元にオシロスコープ等がないため詳細が確認できないのですが、このような現象は
考えられますでしょうか？対策は何をすれば良いのでしょうか？

予想としては、
ゲートドライバの回路図よりFETのゲートをチャージした電流は、OFF時にはゲートドライバを通ってGNDに流れると思いますが、24KHzでゲートをチャージして開放する際に無駄となる電力が大きいということなのかなと素人考えをしております。。。FETの入力容量は1200pF程度です。

回答No.6

el156 · ベストアンサー

20オームのゲート側とドライバ側の電圧を測ってみた方が良いと思います。実効値より平均値の方が良いです。
ゲート容量を充放電するだけなら20オームの平均電流はほぼゼロになる筈ですが、状況からみて電流が流れているような気がします。
ゲート保護の内蔵ダイオードのツェナー電圧が12V以下なら、ツェナー電流が流れるかもしれません。その場合なら電源電圧を少し下げれば流れなくなるはずです。
ツェナー電流では無くてゲート電流が流れているとすれば、FETが壊れていると思います。
そうだとすると、ON/OFFできていること、デューティー制御が働いている事が不思議ですが、もしかしてゲートドライバーが直接モーターを駆動するような壊れ方をしているのかもしれません。
モーターはDCRが1.7オームでも、インダクタンスを持っているので電流は制限されます。テストされた2.4オームの負荷は、モータと比べても重すぎるのではないかと思います。
いずれにしても、12VのスイングはFETのゲート耐圧を超えているので、振幅を絞る何かの工夫が必要です。

お礼

ありがとうございます、解決しました。ゲート耐圧に加えて、ゲートドライバ周りのコンデンサが不十分で、オーバーシュートやリギングがあったことが故障の原因と考えています。

回答No.5

tadys

MOS-FETのゲートには保護用にツェナーダイオードが入っています。
（ごく稀に入っていないものが有ります）
ツェナーのブレークダウン電圧より高い電圧が加わると壊れる事が有ります。
使用電圧に対して余裕はありますから１０Vを超えたからすぐダメという事は無いでしょうが、
定格を超えて使用する事はよくありません。

P-CHとN-CHを使用しているという事ですが、両方が同時にオンになるタイミングは有りませんか？
オンとオフを同時に切り換えるとスイッチング時間の間に同時になるタイミングが生じる場合が有ります。
P-CHをオフ、少し時間（デッドタイム）をあけ、N-CHをオンの様に制御するのが望ましいのです。

なお、ゲートの充放電についてはゲート容量よりもチャージ量とゲート電圧の関係を示すグラフを参考にした方がよいです。
下記資料の、Fig.11に示されています。
http://www.diodes.com/datasheets/DMC2020USD.pdf

パソコンと接続して使うオシロスコープが２万円ぐらいから売られていますから、購入を検討してはいかがでしょうか。
例えば、以下から「オシロスコープ」で検索してみてください。
http://akizukidenshi.com/catalog/default.aspx

お礼

ありがとうございます、解決しました。ゲート耐圧に加えて、ゲートドライバ周りのコンデンサが不十分で、オーバーシュートやリギングがあったことが故障の原因と考えています。
オシロスコープも購入し、非常に捗る環境となりました。

回答No.4

tadys

使用した部品名と回路図を示してもらわないと適切な回答は出来ませんよ。

補足

ご指摘いただいて部品を再確認していたところ、用いているFETはDMC2020USDというもので、VGSSが10Vであることが分かりました。
これについて、負荷のコイル成分が悪さをしていないことを確認するためにモータから抵抗へ変更し、Idが小さい9.4Ω時にはVGSが12Vでも問題は顕在化していないようですが、Idが大きい2.35Ωに変更するとFETが焼けること場合や、必ずゲートドライバが電源投入のみで発熱（故障と思われる）になることが分かりました。
VGSSを超過することで、ゲートドライバが故障するという現象は必然的に起こるものなのでしょうか？
ちなみにFETの故障については、ひとまず並列化することで解消できているように見えます。（2.35Ωでも瞬間的に5.4Aくらいなのでギリギリ大丈夫かと考えていました。。。）

回答No.3

el156

すみません。No.2で大切なことを書き忘れました！！！

もしFETの内蔵(寄生)ダイオードを還流ダイオードとして使っているのだとすると、単純にたすきのOFF側を切り離すことはできません。還流ダイオードを付けておかないと、OFF時の起電力でFETが壊れてしまいます。代わりに還流ダイオードとして使えるショットキダイオードをお持ちでなかったら、「単純にたすきのOFF側を切ってみる」ことは無理だったかもしれません。

補足

発熱するようになってしまったものは、FETと接続せずに電源のみを接続した場合でも煙が出ることを確認しました。
故障原因と、故障前の動作不良がそれぞれどちらも原因を特定できておりませんが、関連しているかもと考え調査中です。。。

回答No.2

el156

発熱するゲートドライバは壊れているとお考えでしょうか？
デューティーを変えても速度が変化したり止まったりせず、オフも効かないのであれば壊れているということになります。
次に出力段のFETが生きているかどうかが気になります。これはゲートをON/OFFして調べれば良いと思います。
FETの電源を入れなくても発熱するか、負荷が無くても発熱するのか、負荷が抵抗でも発熱するのかも気になります。
こういう時はなるべくシンプルな状態にしてから調べることをお勧めします。対角のFETはゲートでオフするのではなくて、ドレインを切って切り離す方が良いです。

補足

同じ回路構成で、ゲートドライバを交換すると、次の何かの拍子までは発熱しなくなりますので、壊れていると考えています。（以前TC4426を使ったことがあるのですが、発熱は無かったと記憶しております。）しかし、ご指摘いただいている故障には該当せず、通常の動作は続けます。しかし、発熱→放置すると煙が出るという状態です。
FETはドレインを切るのが言いのですか。還流ダイオードとして使っています。FETについては今のところ発熱も無ければ、ゲートドライバを交換したり故障したりする過程で、正常にモータを回転させることが出来ておりますので、故障とは考えておりませんでした。
>FETの電源を入れなくても発熱するか、負荷が無くても発熱するのか、負荷が抵抗でも発熱するのかも気になります。
これについて、再度ゲートドライバを交換した状態から順に進んでみます。

回答No.1

el156

1.2nFに12Vまで充電すると14.4nCの電荷が移動します。12Vの電源から14.4nCを一回供給するとき、消費エネルギーは12V x 14.4nC=0.173uJです。充電が毎秒24,000回行われれば、0.173uJ x 24kHz = 4.2mWが消費されます。これが全てゲートドライバで消費されたとしても、たいした電力ではありません。従いまして、この程度のゲート容量の放電電流が大きな発熱の原因となることは無いと思います。

オシロスコープ無しで原因を調べるには、負荷を外してみる、FETの電源を外してみる、OFFしている反対側のたすきのFETを外してみるなどの方法が考えられます。
負荷を外して駆動し、これで発熱が無くなったら、OFF時の環流によって生じる負電圧又は12Vを超える電圧が影響している可能性があります。OFF時の環流路は考慮されているでしょうか？FETの電源を切って発熱が無くなったら、ドレイン～ゲート間の帰還容量が怪しいかもしれません。反対側のたすきのFETを外して発熱が無くなったら、たすきのOFF側の回路の影響を考えてみてください。この間たすきのOFF側の回路は確実にOFFされているでしょうか？

ここまで書いて質問文を読み直してみたら、最初の文がちょっと気になりました。PWMでOffする時にたすきの反対側がONしてしまうようにはなっていないですよね。

補足

反対側の対角は常にP型ゲートには電源電圧を、N型ゲートにはGNDを接続してOFFしっぱなしにしています。
少しわかった事があります、発熱についてはゲートドライバICを交換することで無くなります。ただし、何かの拍子に私が故障させてしまうことはあるようで、再び発熱→交換をしました。
次に、この発熱しない状態では、PWM比4%ではモータを駆動できないようです。
それどころか、7%にあげた場合にモータの端子間電圧は、実行値で0.8V程度として計測されるのが正常と思いますが、端子間は0.028Vであることがわかりました。これに対し、モータを抵抗に交換すると、抵抗の端子間は0.8V程度として計測されることがわかりました。ただし、巻線抵抗1.7Ωに対して抵抗は9.4Ωです。
そして続いて抵抗値を9.4Ω→2.35Ωとした時に、端子間電圧が0.6V程度として計測されつつ、再びゲートドライバが発熱する状態になってしまいました。
まだ情報を整理しきれておりませんが、未だに腑に落ちない状態です。。。