ぽんず製造所

当ブログの記事を参考にして行った事により、いかなる不都合が発生としても当方は一切の責任を負いません。全て各自の自己責任でお願いします。

ゲートドライバ

きばん

基板を発注して、先日届いたので紹介
今回は学校関係の基板が混じってる関係でスイッチサイエンスPCBに注文しました。

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開けるとこんな感じです。基板の後ろには領収書が入っています。
基板は真空パックされてました。

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中国格安基板業者は学校で基板を発注する際、安くても金銭関係で頼めない何ていうこともありますが、スイッチサイエンスなら中国並みの安さで領収書を付けてもらうことができます。
ただし、注文してから届くまでちょっとかかります。自分は15日程かかりました。

開けました。今回は白い基板にしてみました。

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いいね♡
(ちなみに白く潰してるのは学校関係のやつです)


ケチなのでいくつかの基板を一つにまとめて発注したので分離した後の基板の紹介をします。

・コンデンサ充電用昇圧チョッパ基板1
以前開発したチョッパをプリント基板化してみました。
これについてはまた後で記事書こうと思います
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・コンデンサ充電用昇圧チョッパ基板2
1のほうと殆ど変わりませんが、使用部品と部品配置が若干違います。もし1の方が動かなかったらこっちも作ってみるっていう保険です。
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・ゲートドライバ基板1
以前作ったゲートドライバをプリント基板化しました。
裏表にMOSFETを付けて2ch分作ったので、これ一つでGDTの駆動ができるようにしました。
ゲートドライバのゲートドライバも付けたので3.3Vや5V系から直接動かすことができます。
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作例
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・ゲートドライバ基板2
1のほうから少し回路を変えて小型化したバージョンですが、損失が多いかもしれないです。試作です。
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作例
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・PFC
以前作ったPFCをプリント基板化しました。
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以上です。
シルクや穴ズレ、傷などもなく基板の品質自体には不満はありませんでした。
あとは自分の設計ミス?で、チョッパ基板1なんかシルク文字が潰れたり見えなくなっちゃったりしてるのでもうちょっと余裕を持っておけばよかったです。まぁこの辺は経験な気がします...
それとパッド上に普通にビア開けちゃってますが趣味なので大目に見て(ゆるして)
全体的には満足です。

大きなIGBTを動かす

なんとなくデカいIGBTモジュールを動かしたくなったので、ゲートドライバを作ってみました。

ゲートドライバとは、マイコンなどの信号(約5V)からMOSFETやIGBTを駆動するのに必要な電圧(10~20V)に単に増幅するだけのものです。また素子のG-S間にはコンデンサ成分(ゲート容量)があり、ゲートを駆動するにはこのコンデンサを充電したり放電したりという事が必要になってきます。この充電/放電を素早く出来れば、高速スイッチングが可能です。
一般的にゲート容量は素子のスペックに比例していて、小さなMOSFETなどではゲート容量が小さいのでトランジスタのプッシュプルやゲートドライバICなどで十分間に合います。例:IR4427など
しかし、このように大きなIGBTではゲート容量が大きく、そう簡単には駆動できません。

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1200V400AのよくあるIGBTですね。なんでIGBTなのにゲート端子にBって書いてあるんだろう...パワトラ時代の殻使ったのかな
旧世代ということもあり、ゲート容量が72000pFとか書いてあります。一般的なMOSFETだと数百~数千pF程度ということを考えるとかなり大きいことがわかります。
こんなものを駆動したいので、パワーのあるゲートドライバを自作してみることにしました。
回路はFET研究室のKKT氏の記事そのままです。(ありがとうございました。) 
KKT氏はGDTと介してドライブしているようですが自分は直でドライブしてみます。

こちらが作ったゲートドライバです。

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基板裏に主役のプッシュプルMOSFET君が隠れていますが半田が汚いとか言って恥ずかしがってるので公開しません
写っているICはゲートドライバのゲートドライバです。ゲートドライバに使っているのはMOSFETそのものなのでこいつも一応ゲートドライブしてあげる必要があるのです。ゲートドライバのゲートドライバとかよくわかりませんね。
あとドライバ-IGBT間にゲート抵抗を入れるのを忘れててそのまま圧着端子つけちゃいました。まぁこれはこれでいろいろな値で実験できるのでいいです。

ゲートドライバは出来たのでテスト用信号を作るやつを作りました

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レギュと矩形波を出すだけのマイコンが乗っただけでした。555でも作れそうですがマイコンのほうが簡単なので。

それでは実験してみます。
デカいIGBTなのにスイッチング周波数100kHzで動かしてやるぜー。D比は50%
写真ではゲート抵抗入っていませんが1.5Ω程の抵抗を入れました。

DSC_0655


黄色:IGBTゲート電圧
水色:IGBTコレクタ電圧

全体
734

立ち上がり
559

立ち下がり
853

壊れたときが怖いのでコレクタにはまだ15Vしかかけていません。電流も1.5Aです。
なんとかうまくいっているようですね。こんなに重い(ゲートも物理的にも)物をよく動かせたものです。
ちなみに、こういった素子になるとゲートに+の電圧だけでなく正負の電圧を掛けてたりします。
今回は正負電源が用意できなかったので+15Vだけ掛けています。
ちなみにゲート電流はピーク10Aくらいでした。

ドライバに使ったMOSFETのゲート波形を見てみます。
赤:Pch側
青:Nch側

390

KKT氏の言っていた「ゲート抵抗と並列に接続しているダイオードがミソです。PchFETはOFFする際ゲート抵抗の効果を受けずに高......」というのはこのことですね。
素子の立ち上がりだけを遅くしておき、片方の素子がONになる前にもう片方が瞬時にOFFする、そのあとにONされるので貫通電流が流れないようになっているのですね。
でもこれちょっと貫通電流流れちゃってるかも?

波形は思ってた以上によかったです。このレベルの素子で100kHzはなんとか大丈夫そうですね。200kHzいけるかな...?(多分このIGBT最大でも20kHzくらいを想定してるはずなんだよなぁ)

ただ、MOSFETの発熱が意外と大きかったです(貫通電流の可能性あり)。放熱対策をしたり定数を調整したりする必要がありそうです。
ゲート抵抗も熱かったです。


電圧を上げて実験してみました。450V掛けてみます。
負荷抵抗10Ωのときです。計算上45A流れるはずです。

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少しリンギング&サージがあります。負荷抵抗が巻線抵抗でアアーッインダクタンスッっていうのもありますがワニ口で乱雑配線してると言うのが大きいと思います

お次は5Ωで90Aです

192

電流が増えたのでさらに波形が酷くなりました。砂場もなにもついてないので仕方ないですね。



おまけです。
ゲート容量約5000pFのMOSFETをドライブしてみたときです。
IGBTに比べるとかなり速くスイッチングできてます。 さすがです

113

今のはゲート抵抗(1.5Ω)有りですが
無いと

400

ヤバイ波形になります。ゲート抵抗のありがたみがよくわかりました。
以上です。 
5000兆円欲しい!