MOSスイッチング降圧コンバータの自作

質問

今簡単なMOSスイッチング降圧コンバータを作成していて、回路図に従って回路を作成しているのですが求める動作が得られません。

求める動作はMOSFETのゲートにパルス波を入力してMOSFETをON,OFFさせ、入力電圧をパルス状にし、平滑回路で平滑化してパルス波のデューティ比に応じた出力電圧を取り出すことです。

Labviewでパルス波の生成をしています。入力電圧には最大１２Vのソーラーパネルを使用しています。使用している素子のデータシートそURLに、回路図をファイルに示してあります。

実際はどういう動作になっているかというと出力電圧はとれるのですが、デューティ比に応じて出力が変化しないのです。ディーティ比を０～１００％まで変化させて振り幅はほぼなしです。

どこかの素子がおかしいのか素子以外の部分がおかしいのかわかりません。
どこがおかしいのかMOSスイッチング降圧コンバータについて知識のある方の意見を聞かせていただけたら幸いです。

MOSスイッチング降圧コンバータを造る際に注意する点などありましたらそちらの方もよろしくお願いします。

早めの回答がほしいので知恵コインは５００枚とさせていただきました。
どうかよろしくお願いします。

MOSFET
http://akizukidenshi.com/download/2sk2232.pdf
コイル
http://akizukidenshi.com/download/LHL13NB101K.pdf
コンデンサ
http://akizukidenshi.com/download/35ZLH100M.pdf
ダイオード
http://akizukidenshi.com/download/PS2010R.pdf

回答No.5

xpopo · ベストアンサー

回答NO.2です。回答への補足について以下のように回答いたします。

＞最終的な到達目標は太陽光発電を自動的にmppt制御するということです。
＞pc上でLabviewを用いてPID補償器と制御プログラムを作成しmppt制御する予定でした。
＞まだその段階に達してないわけですが…
＞ゲートへの入力信号のことで、Labviewで制御していてNI myDAQというデバイスを使用しているのですが、そのデバイスは入力出+-10しか対応していないのでゲートに加える電圧はおっしゃっているような14ボルトには設定できそうにないです。
＞なので指摘された通りpチャネルFETを使用しようと思うのですがpチャネルはnチャネルとちがってどういった仕様なのでしょうか

回答＞＞pチャネルFETの仕様は例えば2SJ349の場合、こちら（http://akizukidenshi.com/download/2sj349.pdf）のようなデータシートになります。
　pチャネルFETを使用した回路と動作波形（シミュレーションでDuty50%の場合）をこちら（http://yahoo.jp/box/mRlu0R）に掲載しました。ダイオードはできればショットキーダイオードの方が損失が少ないのでお勧めです。
　尚、広い範囲のDutyに比例した出力電圧が必要な場合はインダクタンスの値を大きくする必要があります。

お礼

2度の投稿に加えて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した^_^
親身に対応してくれたのが伝わってきたのでベストアンサーにしました。
おっしゃったことを参考にさせていただいて進めようと思います。
また困った時はぜひお願いしますm(__)m

回答No.4

bogen555

使用部品で最も問題なのは、ダイオードです。
1000V・2Aで、逆回復時間が500nsとなっています。
MOSFETがターン・オンしたとき、ダイオードは逆回復してショート状態になりその時間は500nsもあります。
普通は、逆回復時間の短いショットキーバリアダイオードを使用します。
これなどは良いんじゃないでしょうか？
http://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-06553/
ショットキーバリアダイオードは、逆耐圧が60V以下（これ以上だと逆回復時間が長い）で、150℃の逆電流が小さい（大きいと熱暴走して壊れる）物を選びます。
Pch-MOSFETは秋月で探すとこんなところでしょうか？
http://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-02879/
http://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-08358/
http://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-06026/
http://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-08315/
MOSFETの特性で注意すべき点は、ON抵抗を規定している電圧Vgs以上をゲートに加えることです。
設計経験が無い人はゲート閾値電圧とか言いますが、そのときのON抵抗は規定されていないんで、設計では使用しません。
また、設計経験が無い人はゲート入力容量Cissを重視しますが、測定条件を見るとVgs=0Vつまりオフの時の値です。
必要なのはオン・オフさせたときの入力容量で、これはゲート入力電荷量Qgから見積もります。
コンデンサの基本式「Q=CV」より、データシートのQgのグラフから、
Ci=ΔQg/(ΔVgs)
で計算できて、概略３つの値を取ります。
MOSFETのドライブは、ロジックレベルとのインターフェースが可能な専用ドライブICが各社から出されているんで、適当な物を選択します。
あと、注意すべきはインダクタです。
巻き線抵抗が小さくて、動作ピーク電流がインダクタの許容電流よりも小さいことです。
電源回路に詳しくない場合は、こんな本を読むと良いでしょう。
http://www.amazon.co.jp/dp/4789842053
本を参考にNch-MOSFETを使うときは、同期整流としてハーフブリッジドライバで駆動すると良いです。
同期整流にしないと、下側のオンが保証できないんで、ブートストラップ回路が動作せず、上側がオンしません。

お礼

回答ありがとうございました。
コメントを参考にして回路素子を買いなおそうと思います。
参考書も載せていただき丁寧な対応ありがとうございました(^_^)
また何かあればよろしくお願いしますm(__)m

回答No.3

mink6137

PWM回路は正しく動作していると仮定して、回路図を見ての推察です。

（１）NMOSのゲートを駆動するドライバ回路が無いのでは？
　　PLDでは約1000pFものゲート容量をパルス駆動することはほぼ不可能。

（２）NMOSのソースを基準とする浮動電源が無いのでは？
　　少なくとも、ゲートドライバ回路は上記浮動電源で動作させる必要がある。
　　同時に、０Vを基準としているPWM信号生成回路の出力をゲート駆動回路に
　伝達するレベルシフト回路が必要でしょう。

PS:PWM降圧電源動作の確認実験なら、浮動電源の要らないPMOSタイプから始めれば
良かったですね…。

お礼

回答ありがとうございます(^_^)
おっしゃる通り浮動電源のいらないpmosタイプにして考え直してみたいと思います。
ありがとうございました。

回答No.2

xpopo

今晩は。

　まず、使ってるFETはNチャンネルですが、NチャンネルFETを使う場合はソースフォロワーでのドライブになりますのでゲートに加える信号のONレベルはソーラーパネルの電圧１２V＋ゲート閾値電圧（この場合２Vtyp）＝１４V以上にする必要がありますがゲートにはどんな電圧と波形が加えられてるのでしょうか？こういう構成の降圧型のDDコンバータの場合、通常一般的には使用するFETはPチャンネルFETにします。NチャンネルFETを使う場合は上で述べたような電圧波形をゲートに加えます。

　それから、負荷がオープンになってますが負荷がオープンだとデューティーファクタに比例した出力電圧は得られません。それはインダクタンスに流れる電流が不連続になってしまうことによります。これは回答NO.1の方の回答に同じです。実際に必要な負荷電流はいくらなんですか？それがはっきりすれば負荷抵抗も決まりますのでその負荷抵抗を回路の出力とGNDの間につないで実験してみてください。もちろんその場合はゲートに加える信号電圧も上で説明したような電圧を加えてください。

補足

最終的な到達目標は太陽光発電を自動的にmppt制御するということです。
pc上でLabviewを用いてPID補償器と制御プログラムを作成しmppt制御する予定でした。
まだその段階に達してないわけですが…
ゲートへの入力信号のことで、Labviewで制御していてNI myDAQというデバイスを使用しているのですが、そのデバイスは入力出+-10しか対応していないのでゲートに加える電圧はおっしゃっているような14ボルトには設定できそうにないです。
なので指摘された通りpチャネルFETを使用しようと思うのですがpチャネルはnチャネルとちがってどういった仕様なのでしょうか

回答No.1

TooManyBugs

負荷がなければ電圧は下がりませんね。
ダミーロードを出力側につけて測定して見たらどうでしょう。

実用化するには降圧コンバータに適当なダミー抵抗を付けるべきでしょう。

お礼

質問に答えていただきありがとうございました^_^
また機会があればよろしくお願いします。

補足

すいません。
回路図には負荷抵抗がなかったですが実際は繋いで測定しています。