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スイッチング素子の高電圧下での使用について
2023/09/06 16:55
- DC1000Vを出力できる電源にスイッチング素子を接続し、矩形波を作りたい。
- IGBTとMOSFETのどちらを使うべきか、またスイッチング素子を接続するだけで問題はないか。
- STMicroelectronics社のSTFW4N150を使用しているが、他のアドバイスも求めている。
スイッチング素子の高電圧下での使用について
2014/07/03 10:48
こんにちは。
現在、DC1000Vを出力できる電源を所有しているのですが、その出力部分にスイッチング素子(IGBTかMOSFET)を接続して、矩形波を作りたいと思っています。スイッチング素子に入力する電流値は10mA程度です。スイッチング周波数は、500kHz程度を希望しています。
そこで質問なのですが、
?入力がDC1000V、10mA、スイッチング周波が500kHzの条件だと、IGBTとMOSFETのどちらを使うのが良いでしょうか？
?単純にスイッチング素子を電源の出力に接続する(スイッチング素子を基盤に半田付けで固定し、そこへ1000V、10mAを入力)だけで問題はないでしょうか？
なお、現時点で使用を考えている素子は
STMicroelectronics社のSTFW4N150です。(詳細は参考URLにあります)
その他にも、高電圧下でスイッチング素子を使用することについて、アドバイス等がございましたら、ご教授いただけると幸いです。回答をよろしくお願いします。
アドバイスを下さった皆様、非常に勉強になりました。
独力では、この電源を実現することは難しいという事が分かっただけでも良かったです。今後は、真空管を用いる方法等、他の方法も探ってみたいと思います。
ありがとうございました。
STFW4N150の参考URLです。
http://jp.rs-online.com/web/p/mosfet-transistors/7610503/
質問者が選んだベストアンサー
?スイッチ素子の選定は間違っていないと思います。
500kHzでスイッチングしたいなら、IGBTよりもMOS-FETの方が適しています。
?単純にスイッチング素子を電源の出力に接続する・・・・・・
もっともっと具体的に考える必要があります。
少なくとも、次のような事項を配慮して、回路設計する必要があるものと
思います。
1)1000V電源のコモン（アース）は、＋側／－側いずれでしょうか？
2)負荷のコモン（アース）は、＋側／－側いずれでしょうか？
3)電源、負荷ともに－側をコモンとした場合、MOS-FETの駆動回路は、
負荷に加わる電圧に伴って、500kHzの周波数で1000Vの振幅の電圧が加わり
ます。このような駆動回路の設計は、専門家でも悩ましい困難な課題です。
駆動回路の電位をどこに置くことを想定なさっていますか？
4)負荷には、500kHzの周波数で、0Vと1000Vを往復する矩形波電圧を印加
したいものと想像しますが、立ちあがり時間、立ち下がり時間はどの程度
が必要でしょうか？
5)負荷は、単純な抵抗性と考えていいでしょうか？ 印加電圧と流れる電流
が比例関係ではない非線形負荷でしょうか？ 並列容量の値はどの程度
でしょうか？
6)1000V 10mAの電源は、どのような構成でしょうか？
もう少々付け加えれば、
7)負荷が異常状態（例えば短絡状態）になったとき、スイッチング回路部
は生き残る必要があるか、壊れても構わないでしょうか？
回答(3)さんのご指摘は、まさにその通りと思います。
このような場合の対処として、素子のリードをフォーミングして、
プリント基板に挿入する部分で十分な絶縁距離を確保します。
更に、素子近傍のリードに、絶縁性の優れたシリコーン樹脂を塗布する
などして、絶縁距離の不足を解消するようにする方法があります。
回答(4)さんのご指摘も、まさにその通りと思います。
「電子回路は、思った様には動かない、作った様に動くだけ。」は、
名言と思います。
ご質問者さんが提示なさったMOS-FETは、単価100円程度のものと思いますが、
この素子を500kHzの速度でスイッチングさせるには、ある程度の規模の駆動
回路が必要です。駆動回路に電気エネルギーを供給する電源回路も必要です。
1000Vの電圧を安全に扱うには、スイッチングに関わる部分を、適切な筐体
に収容することも必要と思います。
設計や動作検証にかかる費用を無視しても、スイッチングに関わる部分全体
のコストは、MOS-FETの単価よりも2桁くらい高くなりそうに思います。
行き着くところは、回答(1)さん記載の 「プロに任せましょう。」
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その他の回答 （4件中 1～4件目)
毎度ＪＯです。
1000Vの耐電圧に関しては他の投稿者の通りです
素子のドライブに関して回答します
使用するデバイス STFW4N150
http://docs-asia.electrocomponents.com/webdocs/10e8/0900766b810e88e4.pdf
問題点１）この素子を10mAでドライブしようとすると
Ciss 1300pF の入力容量が有り、Gate threshold voltage 4V Typですので、
10mAでドライブを開始してから4Vに達するのに0.52μS掛かります（それまでＦＥＴはＯＮ出来ない）
この後Turn-on delay time 35nS後ＯＮします
希望するスイッチング速度は500kHz、ディユーテーサイクル50％でも1μS
結果は数値が表す通り、ＯＮパルスの半分の時間をを過ぎてやっとＯＮを始めるのです
問題点２）上記の過程でＯＮしたものをＯＦＦする際の挙動
仮にDC12Vでドライブするなら、ＯＦＦを開始すると12Vから4Vまで降下するのに10mAドライブでは1.05μS掛かり、希望する500kHzには間に合いません
負荷の記載が有りませんが、IDSS＝Drain current (VGS = 0)が最大500μA有る事を考慮せねばなりません
何れにしても「使い物にならない回路」で有る事は数値が示しています
データシートには、必要な全ての情報が記載されています、最適な設計をする為 隅から隅まで見ましょう。
職業として電子回路設計をするからには「徹底的な計算と検証」が必要です。
そこが趣味で電子工作をしている場合と1万台レベルで量産する場合の考え方の違いです。
電子回路は、思った様には動かない、作った様に動くだけ。
選定は間違ってると思う
理由：TO-220パッケージだからと言う単純明解な理由
ピン間距離２．５４なので最小隙間は１．４ｍｍしかない
冬季で乾燥した室内で短時間なら持つかもしれないが
いかにも時期が悪い
何しろ梅雨時
湿度９０％超えで放電短絡するかも？
耐湿コーティングすればあるいはとも思うが
コーティングする前に吸湿しちゃってたりして？
以前にコックロクロフト高圧発生器を自作したけれど
数分でオシャカになってしまった
その当時は原因不明でしたが
後になって湿度の影響を受けるらしいと知った
周波数の問題は置いといて
http://www.mitsubishielectric.co.jp/semiconductors/products/powermod/hvigbtmod/index.html
素子のサイズはこれくらい要ると思う
>高電圧下でスイッチング素子を使用することについて、アドバイス等がございましたら、ご教授いただけると幸いです。
技術力に自信がないなら高電圧スイッチングは諦めた方が吉。 プロに任せましょう。
ご質問者さんが提示なさったMOS-FETは、単価100円程度のものと思いますが、
>この素子を500kHzの速度でスイッチングさせるには、ある程度の規模の駆動回路が必要です。駆動回路に電気エネルギーを供給する電源回路も必要です。
近頃ではVGSが12V位までなら
FET駆動用のドライバICがありますのでそれほど心配しなくていいです。
>1000Vの電圧を安全に扱うには、スイッチングに関わる部分を、適切な筐体
に収容することも必要と思います。
こちらの方が問題ですね。万一リークした時にどう安全性を確保するかとか
1kVをスイッチングしてEMIとかは大丈夫かとか。
配線パターンもインダクタンスを設計できないと、FETパーンしますし。
「質問１回目の質問者さん」の場合とかは、相手の得体が知れない訳だし
質問内容や回答に対する反応をみて相手するか考えてます。
