モータードライバーについて質問です

現在ＤＣモータを動かす回路を作ろうとしています。モータがストールさせたときに１５Ａ流れる仕様のため（6VDC）、２０～３０A流れても大丈夫なくらいのものにしようとしています。

http://www.maizuru-ct.ac.jp/control/machida/elec …
のサイトにある「MOS-FETによる単方向回転モータドライブ基本回路」
の図の右上のものを参考にして製作しようとしているのですが、その場合のトランジスタの選び方と抵抗の決定の仕方について質問があります。
picマイコンからＰＷＭで回そうとしてます。
モーターのデータシートも添付しておきます。

DCmotor：http://akizukidenshi.com/catalog/g/gP-06439/
2SK2232 : http://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-02414/

質問は
・nchMOSFETを選び方を教えて下さい。
・例えば秋月で販売されている2Sk2232を選ぶことは適切か
・仮に2SK2232を選ぶとした場合の熱設計の方法。（必要な放熱器の大きさの計算の仕方がわかりません）
・添付した回路にある抵抗の意味と電源５Ｖで使用した場合の抵抗値の計算の仕方

です。

No.3 回答者： xpopo 回答日時： 2016/05/15 10:48

回答NO.2の補足です。

　モータに並列に接続するダイオードについて説明してませんでいたので説明します。
DCVモータには等価の直列インダクタンスがあります。ＲＳ－３８５ＰＨ－４０４５　のインダクタンスは不明ですが最低でも10uH以上はあると考えられます。
また、PWMのスイッチング周波数はマイコンで行うならば、最高で30kHzくらいでしょうか？このモータを30kHzのPWMで駆動した場合のダイオードD2に流れる電流とその他、各部の動作波形をシミュレーションしてみました。（添付図を確認）
　マイコンからのPWM信号はON時間：1usec、周期：33.333usec（ｆ＝30kHz）、電源電圧：5Vの条件でシミュレーションしてます。
右側のシミュレーション結果は一番上が入力のPWM波形V(in)、その下がFETのドレインの電圧波形V(d)とモータのインダクタンスL1に流れる電流I(L1)をその下にはSEPPプリドライブ段の入力電圧であるトランジスタQ1のコレクタ電圧波形V(c1)、そしてその下にはトランジスタQ2のエミッタ電流I(e2)とトランジスタQ3のエミッタ電流I(e3)です。エミッタ電流波形の極性はエミッタ端子に流れ込む方向を正としてます。
　FETのドレイン電圧はFETがOFFの期間で６Vに達している（電源の５Vに対して＋１V)のが分かります。この期間はダイオードD2に順方向にインダクタンスL1の電流が流れています。その値はL1の電流に等しく　約１２A　流れてます。PWMのディユーティー比が大きくなってゆくとこの電流もそれにつれて下がってゆきます。いずれにしても、ダイオードD2には最大で１２A流れることが分かります。
ですから、ダイオードD2には１２A以上流せる大容量のダイオードが必要になります。例えばこちら（２素子入ファストリカバリダイオード　ＫＣＦ１６Ａ６０　http://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-09927/）のようなダイオードが必要になります。このダイオードを使用するときは内部の2本のダイオードを並列に接続して使用します。
　また、この状態ではFETの電力損失は440mWとなってます。FETのON抵抗がばらついても最悪１W程度まで見ておけば十分と思われますのでこのFET（ＩＲＬＢ３８１３ＰＢＦ）を使った場合は放熱器は必要なさそうですね。

この回答へのお礼

シュミレーション付きの詳しい解説ありがとうございます。参考にさせてもらいながら、抵抗の意味や放熱設計の方法などを理解することができました。特に放熱設計では、ほかの回路（降圧回路）などでも自分なりに考えることができました。ありがとうございました。

お礼日時：2016/05/29 21:03

No.2 回答者： xpopo 回答日時： 2016/05/14 21:41

＞・nchMOSFETを選び方を教えて下さい。

FET選択に必要なパラメータは主に以下の5つです
　１）使用する回路の電圧　Vcc
　２）最大ドレイン電流　　ID
　３）ドレイン・ソース間オン抵抗　Ron
　４）許 容 損 失 (Tc=25℃) PD
　５）ゲートしきい値電圧　Vth
　６）ゲート入力電荷量 Qg

回答＞＞
　例えば、回路電圧Vccが5Vの場合、絶対最大定格 のドレイン・ソース間電圧 VDSSが5Vより十分大きいFETを選びます。この場合でしたらVDSS＝２０Vもあればいいでしょう。
次にドレインでドライブする負荷電流の最大値ILmaxに対して十分大きな　「最大ドレイン電流　　ID」　であること。
次に「ドレイン・ソース間オン抵抗　Ron」と「許 容 損 失 (Tc=25℃) PD 」を見ます。ドレインに流す電流が最大になるILmaxを流した時のFETの電力損失PDを「ドレイン・ソース間オン抵抗　Ron」を使って次のように計算して「許 容 損 失 (Tc=25℃) PD 」に対して十分小さいかどうかを調べます。

　　　PD=（ILmax＾２）×Ron　　（１）

例えばILmax＝5V/0.4Ω=12.5A、Ron=0.08Ω(電源電圧が５VしかないのでデータシートのVGS = 4V, ID = 12A の条件での最大値)の場合にはPDは

　　　PD=（12.5^2）×0.08Ω＝12.5W

この値は、2Sk2232の場合だと「許 容 損 失 (Tc=25℃) PD 」は35Wですのでそれに比べれば十分小さいですが、12.5Wを放熱するのにはかなり大きな放熱フィンが必要になります。できれば放熱フィン無しにしたいですね。式（１）からもわかりますがRonを1/10程度のFETがあれば、PDは１W程度で済みますので放熱フィンなしで行けます。
次に「ゲート閾値Vth」この電圧はFETをONさせるのに必要な電圧です。ゲートを直接ドライブする回路の電圧がこのVthに対して十分な電圧かどうかを確認します。この電圧が少なくとも　Vth＋1V以上　あればOKです。
　次に「ゲート入力電荷量 Qg」この値はゲートをドライブするドライブ回路に必要な条件を計算するためのパラメータとして重要ですがFET選択には参考程度に考えてください。

＞・例えば秋月で販売されている2Sk2232を選ぶことは適切か

回答＞＞上記のようにRonが大きすぎるので、Ronが5mΩ程度のFETを探した方が良いです。

＞・仮に2SK2232を選ぶとした場合の熱設計の方法。（必要な放熱器の大きさの計算の仕方がわかりません）

放熱設計ですが、PDが12.5Wとした場合について添付図を使って説明します。この図は縦軸にFETの消費電力PD(W)を横軸に温度をとってあります。
　まず、PD=12.5W、T=0℃のポイントから右方向に水平に線を、FETを動作させた場合のFETの周囲温度の最高温度Tamax（℃）まで伸ばします。ここではTamax（℃）＝50(℃)とします。
　次に、このポイントから、Tj(℃)=150℃、PD=0(W)のポイントへ向かって線を引きます。この斜めの線の傾きが必要な放熱抵抗Rth(ch-a)（℃）になります。この場合はグラフから、
　　　　　Rth(ch-a)（℃）=8(℃／W)
が得られます。
　ここでFETのデータシートからチャネル・ケース間熱抵抗 Rth (ch-c)＝3.57（℃/W) より、FETのケースから周囲温度までの求める放熱器の熱抵抗　Rth(c-a)（℃/W)　は
　　　　Rth(c-a)（℃/W)　=　Rth(ch-a)（℃/W)　－　Rth (ch-c)（℃/W)　　　　（１）
で計算できますのでこの式を使ってRth(c-a)（℃/W)　は
　　　　Rth(c-a)（℃/W)＝8（℃/W)－3.57（℃/W)＝4.43（℃/W)
を得ます。
熱抵抗から必要な放熱器の体積は放熱のフィンが無いただのアルミの直方体の場合の体積Hv(cm3)を求める計算式は
　　　　Hv(cm3)＝1150×｛Rth（c-a）＾(-2/3)｝　　　(2)
で計算できます。式（２）にRth(c-a)（℃/W)＝4.43（℃/W)を代入して計算すると
　　　　Hv(cm3)＝426（cm3）
と求まります。アルミの厚みを1mmとすると放熱版の面積は
　　　　　　426(cm3)／0.1(cm)＝4260(cm2)＝65.27cm×65.27cm
と計算され、めちゃくちゃ大きな放熱版が必要になることが分かります。この結果からもRonが5mΩ以下のFETに変更すべきだと思います。
　
＞・添付した回路にある抵抗の意味と電源５Ｖで使用した場合の抵抗値の計算の仕方

回答＞＞まず、回路図でPNPトランジスタQ3のエミッタとコレクタの接続が間違ってます。エミッタとコレクタの接続を反対にしてください。　
　まず、FETの選定から、とりあえず、ID：260A、VDSが30V、Ron＝max2.6mΩ、Vth＝1.35V～2.35V（VDS＝VGS，ID＝150μA）、PD=230W、ゲート入力電荷量 Qg＝86nCのＩＲＬＢ３８１３ＰＢＦ（http://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-06270/）を選定します。
　では抵抗R４について、FETのデータシートから48Aのドレイン電流のスイッチングでRg=1.8Ωとなってますのでこの値を採用します。R4=1.8Ω　これ以下だとFETのゲートが充放電で故障してしまう恐れがありますのでこの値か少し大きめの抵抗を使いましょう。
　抵抗R3は削除してショートしましょう。この抵抗があるとゲート駆動信号の立下りが遅くなってしまいます。
　抵抗R2はQ2,Q3によるSEPP回路のドライブ用のプルアップ抵抗です。この抵抗値はあまり大きくするとゲートドライブの立ち上がり、立下りのスピードが遅くなってしまいます。Q1がONの時にR2に流れる電流は５ｍA程度以上流す必要がありますので、R2は　R2=5V/5mA＝1kΩ　とします。
　次に抵抗R1ですが、マイコンのPWMポートのドライブ能力にもよりますが、PWMポートが「H」即ち５Vの時に5mA以上流した方がいいです。したがってR1は　R1=5V/5mA＝1kΩとします。
　ここでSEPPドライブ用のトランジスタQ2とQ3ですが、ゲートドライブの立ち上がり立下りでの充放電電流がピークで500mA程度の大きな値になりますから参照先の回路で使用してる2SA1015と2SC1815では最大定格のICが150mA程度なので役不足です。壊れてしまいます。代替え候補として2SA1020（http://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-08745/）と2SC2655（http://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-08746/）を挙げておきます。これらのTrはIC=２A、ｆT=100MHzと十分な性能です。

以上です。

No.1 回答者： isoworld 回答日時： 2016/05/14 16:26

パルス幅変調でモーターの速度制御でもするのでしょうかね。

２ＳＫ２２３２は（Ａ）の回路に使えると思いますよ。

これを選んだ場合、ＲDS（ON）が３６ｍΩと低いのですが、仮に25Ａを連続で流すと消費電力は25×25×0.036＝22.5Ｗとなり、かなりの放熱板がないともちません（ＰD＝35Ｗを見てはいけません）。
現実には、負荷電流3.5Ａmaxの場合は消費電力は0.44Wとなり、これならそのままでも（周辺温度が高くない限り）大丈夫です（多少は温もります）。でもモーターの動きをクランプしたままだと静止電流は15Ａとなり消費電力は約８Wで、放熱板がいります。

つまり負荷が重くてモーターが回らない状態にしたままになる可能性があれば放熱板は必要、そういうことがなければ放熱板はなくてもいけることになりそうです。放熱板の設計に必要なデータがこれでは不足しています（熱抵抗の情報がいります）。８Wなら、感覚的には（ですから計算によるものではありません）Ｎ－ＭＯＳＦＥＴに熱伝導性改善用シリコン放熱用シリコンを塗って１０ｃｍ角のアルミ板に直接取り付ければいけそうな気がします。

なお（Ａ）のＲ2は入力がオープンになった場合にＮ－ＭＯＳＦＥＴのゲート電圧が不安定にならないようにグランドに落とす役割をしています。もう少し大きな値でも大丈夫です。