ZVS回路で誘導加熱してるのですが・・・

質問

こんにちは。今現在、ZVSの回路を作って誘導加熱の実験をしようとしているのですが、
下記の回路を組んで実験してみたところ、FETから煙が上がって素子が死んでしまいました。

http://ameblo.jp/himanahito-o/image-11246330624-11964307020.html

使用したFETは下記のFETです。

http://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-06022/

恐らくFETの耐圧がオーバーしたため煙が上がったと推測しています。

そこで質問なのですが、

・FETの許容電流（ドレイン電流）は40Aとかその辺りで全然構わないでしょうか？

・また、FETの耐圧はいくらぐらいがよろしいでしょうか？

・上記の回路図のコンデンサ値で構わないでしょうか？実験を何度も繰り返してたらコンデンサからも　煙が上がった（ように見えた）ので、違うコンデンサ値に変えようと考えているのですが・・・。

ご教授の方、よろしくお願いします！

回答No.6

xpopo · ベストアンサー

＞＞＞つまり、L1,L2の値が小さければ、FETのドレイン電流が多く流れるということでしょうか。
＞
＞またまた返信遅れてすみません。
＞
＞＞回答＞＞そうです。
＞
＞やはりそうでしたか。ただ、30Aのブレーカ付けてるのですが、ブレーカが切れたりすることは無かったので、実質＞20Aも流れてないと思います。

コメント＞＞L1,L2に流れる電流はFETのドレインに流れる電流より大きいです。シミュレーション結果の波形でI(U3:D)がFETに流れる電流になります。電源投入後の立ち上がりの数msの間だけ大きな電流（ピークで３．８A)が流れてます。そう、たった３．８Aです。
　２０AとおっしゃってるのはL1、L2に流れる電流のことを指してると思いますが、この電流は共振電流なのでコンデンサC1とL1,L2の間のループに流れているだけです。電源からの電流はこのループへインダクタL4を介して流れてきますがこの電流は共振を維持するのに必要な小さな電流として供給されます。それがほぼI(L4)になります。I(L4)は最大でも３．８Aなのでブレーカは当然、切れませんね。

＞あと、今日実験してみたところ100V40AのFETを使用したところ、何も異常は無かったです。ただ、トロイダルコイルから煙が出て、定格値を超えていたようですｗ。
＞
＞10.5Aのコイルを後日もう一度入手しようと考えています。

コメント＞＞コイルってL４のことですか？10.5A流せるコイルなら大丈夫かと思います。

＞＞それからゲートの抵抗10kΩの消費電力は5ｍW程度ととても小さいので1/4W抵抗で十分です
＞
＞ありがとうございます。因みにこの10kΩを付ける意味は何でしょうか？個人的にはノイズ低減の意味があるのかなって考えています。

コメント＞＞これは反対側のFETがONになりゲートをOFFする動作の場合にゲートに溜まった電荷をダイオードを経由して反対側のFETのドレインへ流しますのでゲートの電圧はGNDまで落としきれず、ダイオードの順方向電圧降下分（約０．８V)が残ってしまいます。１０ｋΩの抵抗がないとゲートの電圧は0.8V残ってしまいます。この０．８V分のゲートに残った電荷ををこの１０ｋΩの抵抗でGNDに流してやってゲートの電圧を０Vまで落とします。

お礼

ご回答ありがとうございます！

＞＞コメント＞＞コイルってL４のことですか？10.5A流せるコイルなら大丈夫かと思います。

はい、9Aのコイルを使用していたので、耐えられなかったかと・・・。47μFの10.7Aのコイルを入手したので、そちらの方でもう一度実験を行いたいと思います。

＞＞コメント＞＞これは反対側のFETがONになりゲートをOFFする動作の場合にゲートに溜まった電荷をダイオードを経由して反対側のFETのドレインへ流しますのでゲートの電圧はGNDまで落としきれず、ダイオードの順方向電圧降下分（約０．８V)が残ってしまいます。１０ｋΩの抵抗がないとゲートの電圧は0.8V残ってしまいます。この０．８V分のゲートに残った電荷ををこの１０ｋΩの抵抗でGNDに流してやってゲートの電圧を０Vまで落とします。

なるほど！分かりやすい解説ありがとうございます。
確かに、ゲートは絶縁であるためコンデンサとして働くと言いますね。それで、コンデンサに溜まった電荷を放出するために、わざわざ放電抵抗をかましますね。そういう意味だったのですね。

大変分かりやすい解説でした！ありがとうございます！

また何かありましたら、こちらの方で質問させていただきますので、是非そのときはご教授いただければと思います。

xpopoさん、bogen555さん、ありがとうございました！

回答No.5

xpopo

回答NO.4です。補足ありがとうございます。

＞つまり、L1,L2の値が小さければ、FETのドレイン電流が多く流れるということでしょうか。

回答＞＞そうです。L1とL2の値と共振電流および共振周波数の関係をシミュレーションで求めた結果をこちら（http://yahoo.jp/box/wZzt8e）にアップしました。
　また、L1、２は手作りの空芯コイルだと思いますのでこちら（http://gate.ruru.ne.jp/rfdn/Tools/ScoilForm.asp#p1）のサイトの計算を使って直径20mm、コイル長さ40mm、線径2mmのウレタン皮膜銅線を使った場合のインダクタンスを計算して求めた結果から3.2uHを使用。そしてインダクタの抵抗はこちら（http://www.op316.com/tubes/datalib/calc-r.htm）のサイトのエクセル計算を使って抵抗値を計算（結果は7mΩ）をシミュレーションに使用しました。
　またコンデンサにはこちら（NO.3の方が紹介されたコンデンサ（http://www.rubycon.co.jp/catalog/j_pdfs/film/j_MPH.pdf））の450MPH105を使用しました。tanδの仕様　0.001max at 1kHz　よりESR（直列等価抵抗）を計算して159mΩmaxを使いました。

＞コンデンサの値は小さいと共振周波数は上がるが、大電流には耐えられない。反対に値が大きいと大電流には耐えれるが、共振周波数が下がる（＝表皮効果の関係で誘導加熱がしずらくなる）という見解をしてみたのですが、合っていますでしょうか？
＞
＞またFETの代わりにIGBT素子でスイッチングは可能でしょうか？

回答＞＞コンデサは値が小さくなる程許容電流が小さくなる（こちらの資料参照：http://www.rubycon.co.jp/catalog/j_pdfs/film/j_MPH.pdf）。また、共振周波数は高くなります。許容電流が小さくなるので大電流には耐えられなくなる方向ですね。反対に値が大きくなると共振周波数は下がりますし、共振電流も増えます。表皮効果はこちらのサイト（http://www-hiraki.is.s.u-tokyo.ac.jp/lectures/hw2013/skin_effect.pdf）の資料のグラフのような周波数依存性を持ってますので周波数が低くなれば誘導加熱はしづらくなるでしょうね。

　FETの代わりにIGBT素子を使用するのは共振周波数が数十ｋHzの範囲ならば問題なく使えると思います。

補足＞＞C1に1uF、L1、L2に3.2uHを使いそれぞれの直列等価抵抗（ESR)を挿入してシミュレーションした結果をこちら（http://yahoo.jp/box/SYnd8K）に、回路はこちら（http://yahoo.jp/box/8C193R）にアップしておきます。
　結果を見るとESRの影響でドレインのピーク電圧が61.4Vまで下がってるのが分かります。これだとFETの耐圧は75Vでもギリギリセーフかもしれませんね。
　それからゲートの抵抗10kΩの消費電力は5ｍW程度ととても小さいので1/4W抵抗で十分です。またゲートに加わる電圧はシミュレーション結果から１２V未満なのが分かると思います。FETのゲート－ソース間耐圧は±２０Vありますので保護用のツェナーダイオードは必要ないでしょう。

お礼

＞＞つまり、L1,L2の値が小さければ、FETのドレイン電流が多く流れるということでしょうか。

またまた返信遅れてすみません。

＞回答＞＞そうです。

やはりそうでしたか。ただ、30Aのブレーカ付けてるのですが、ブレーカが切れたりすることは無かったので、実質20Aも流れてないと思います。

＞＞L1とL2の値と共振電流および共振周波数の関係をシミュレーションで求めた結果をこちら（http://yahoo.jp/box/wZzt8e）にアップしました。

度々シミュレーションまでしていただき本当に感謝しています。確かにグラフを見てみるとインダクタンス値が小さい分電流が流れてますね。それと、インダクタンス値が大きい分は周波数は小さいんですね。知らなかったですｗ。

あと、今日実験してみたところ100V40AのFETを使用したところ、何も異常は無かったです。ただ、トロイダルコイルから煙が出て、定格値を超えていたようですｗ。

10.5Aのコイルを後日もう一度入手しようと考えています。

＞それからゲートの抵抗10kΩの消費電力は5ｍW程度ととても小さいので1/4W抵抗で十分です

ありがとうございます。因みにこの10kΩを付ける意味は何でしょうか？個人的にはノイズ低減の意味があるのかなって考えています。

ご回答ありがとうございました。

回答No.4

xpopo

回答NO.2です。補足します。

　急いで回答しましたのでシミュレーション結果は添付しませんでしたが、このFET（http://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-06022/）では完全にVDSが最大定格の電圧40Vをオーバーしてました。
　FETを耐圧の高いもの、たとえば、Fairchild社のFQP33N10を使ってシミュレーションしてみました。
シミュレーション結果はこちら（http://yahoo.jp/box/mDnfXq）にアップしておきます。

　シミュレーション結果を見ますと；

１）電源投入後6msくらいまでは立ち上がりの過渡現象でコイルL4に流れる電流I(L4)が大きく振動しながら減衰してるのが分かります。電流のピークは11Aくらいになってますがピークは次第に減少して定常時には0.45A程度のピーク電流に収まるようです。

２）L1,L2に流れる電流はインダクタンスが5uHの場合にピーク電流は45Aにもなりますが時間が経過し安定してくると21A程度に収まってきます。
　※　L1,L2のインダクタンスが更に小さくなればピーク電流はもっと大きくなります。

３）コンデンサC1にはL1,L2に流れる電流と同じ大きさで位相が180度異なる電流（安定時にピークで21A）が流れます。
　C1の電流はかなり大きい事が分かります。やはり数本のコンデンサを並列にしないとコンデンサもたないでしょう。

４）FETのドレイン電圧。電源投入直後のピーク電圧は78Vにも達してます。
　FETの耐圧は１００V以上のものが必要でしょう。また、FETのドレイン電流はシミュレーションの波形にはありませんがL4の電流と同じでした。

補足

ご回答ありがとうございます。

わざわざシミュレーションまでしていただいて本当にありがとうございます。

つまり、L1,L2の値が小さければ、FETのドレイン電流が多く流れるということでしょうか。

コンデンサの値は小さいと共振周波数は上がるが、大電流には耐えられない。反対に値が大きいと大電流には耐えれるが、共振周波数が下がる（＝表皮効果の関係で誘導加熱がしずらくなる）という見解をしてみたのですが、合っていますでしょうか？

またFETの代わりにIGBT素子でスイッチングは可能でしょうか？

質問ばかりで恐縮ですが、宜しくお願いします。

回答No.3

bogen555

オシロ買えないんだったら、せめてシミュレーションしたら銅でしょうか？
そうすれば、AN0.2のように1msとか変なことは考えずに済みます。
L2とL3のインダクタンスによりますが、'zvs回路'で検索すると'YouTube'の画像がでてきて、それを見ると共振／発振周波数は多分数百kHzでしょう。
元の回路ではFETは型名から75V・75Aのようです。あわせたらどうでしょうか？
コンデンサはこういった大電流用のコンデンサがエエと思います。
http://www.rubycon.co.jp/catalog/j_pdfs/film/j_MPH.pdf
http://www.taitsu.co.jp/products/consumer/pdf/pmsva_j.pdf
http://www.okayaelec.co.jp/catalog/film-capacitor/p56-58_c7np.pdf
ZVS共振回路にはメタライズト・ポリプロピレン・フィルム・コンデンサを使うことが肝心です。

回路は、ここの「コイルガン用zvsドライバー」が参考になります。
http://emllaboratory.blog.fc2.com/blog-entry-39.html
L4無しで、L2とL3は'YouTube'の画像を参考にして作ったら銅でしょうか？
そのまえに、シミュレーションして回路動作を把握することを薦めます。
そうすれば、オシロ無しでもテスタだけで正常動作がわかるかも。

補足

コンデンサに関しては一番目のメタライズドポリプロビレンコンデンサを使用しています。

また、コイルガン用ZVSドライバーの回路図に関してなのですが、ツェナーダイオードと並列接続の10kΩの抵抗器は1/4Wの抵抗器で大丈夫でしょうか？

無知で申し訳ありませんが、宜しくお願いします。

ご回答ありがとうございました。

回答No.2

xpopo

＞・FETの許容電流（ドレイン電流）は40Aとかその辺りで全然構わないでしょうか？

　FETの電流は電源の立ち上がりから１ｍｓあたりまでの間に最大となりますがその後の安定状態ではせいぜい数Aしか流れないので４０Aは十分な値だと思います。

＞・また、FETの耐圧はいくらぐらいがよろしいでしょうか？

インダクタL2、L3の値が分からないのではっきりしたことはいえませんが、７０V以上は必要でしょう。

＞・上記の回路図のコンデンサ値で構わないでしょうか？実験を何度も繰り返してたらコンデンサからも　煙が上がった（ように見えた）ので、違うコンデンサ値に変えようと考えているのですが・・・。

コンデンサの値よりも流れる電流が軽く10Aを超えると思いますので、1uFのコンデンサを6本並列にしないと発熱が大きくコンデンサが持たないと思います。

お礼

返信遅れて申し訳ありません。

コンデンサの並列接続に関しては失念していました。

ご指摘ありがとうございます。

回答No.1

bogen555

誘導加熱だったら、ここが参考になります。
http://www.mars.dti.ne.jp/~m7030/pic_room/coffee/index.html
提示の回路は電流型コンバータを共振させてZVSを実現しているのかな？
電流型コンバータはここが詳しいです。
http://hirachi.cocolog-nifty.com/kh/files/20100228-1.pdf
http://hirachi.cocolog-nifty.com/kh/files/20101227-1.pdf
http://hirachi.cocolog-nifty.com/kh/files/20110308-1.pdf
あとは共振させるとどうなるのか考えればエエンじゃないでしょうか？
僕は経験無くて助言できませんけど、ただ一つ言えるのは、オシロスコープは必須だとゆうことです。

お礼

オシロスコープが必須ということは承知しているのですが、
お金の関係で買えないということもありまして・・・^^;

URLの方参考にさせていただきます。
ご回答ありがとうございました。