直流モータ駆動時のMOS FET破壊について

図の回路を作成し、以下の操作をしました。回路作成後初回の操作となります。

①AC100Vの電源はOFFとしておく
②50kΩの抵抗を左回し。FETのG-S間を短絡しておく。
③AC100Vの電源をONにする。モーターは回らない。
④50kΩの抵抗をゆっくり右回し、FETのG-S間電圧を上昇させる。あるところでモーターが全速力で回りだした。
⑤50kΩの抵抗をゆっくり左回し、FETのG-S間電圧を下降させる。ところが、FETのG-S間が短絡されるまで回してもモーターは全速力で回り続けている。
⑥AC100Vの電源をOFFとする。モーター停止。
⑦FETに取り付けたヒートシンクを手で触る。発熱は無く、常温のまま。
⑧50kΩの抵抗が最も左回しの状態で、FETのG-S間が短絡されていることを確認。
⑨AC100Vの電源をONにする。再びモーターが全速力で回りだした。

上記はFETを破損した過程の記述となりますが、破損原因が分からなくて困っています。
FETの破損原因について、心当たりをお持ちの方はいらっしゃいませんでしょうか？

No.3 ベストアンサー 回答者： m-jiro 回答日時： 2017/06/10 17:41

状況から推定してFETの D－S 間が短絡しているように思います。

一般にFETの D－S 間は大電流では断線し耐圧オーバーではショートするようです。このFETは耐圧は十分にあるようなので耐圧オーバーはちょっと考え難いように思います。
しかしドレインに負の電圧が加わったら・・・・モーターと並列のダイオードが断線していませんか？
FETにも D－S 間にダイオードがあるようですがこれも断線するとドレインに負の電圧が加わります。破壊原因になり得るように思います。

「安全動作領域」については検討しておられますか？
FETでもバイポーラでも電圧が掛った状態で流してもよい電流には時間の制限があります。
TK10Q60Wでは100Vの電圧が掛った状態で流し得る電流は10A、その継続時間は100μ秒以内です。
これを超えると内部のジャンクション部分が溶けて破壊します(外見的には熱くない)。
詳細はデバイスのデータシートを見てください。

スイッチング形態も気になります。
ゲート電圧をゼロからゆっくり上げていますね。モーターに電流が流れ始めた時はFETはスイッチング素子としての完全なONではなくアナログ的なON、つまり D－S 間にかなり大きな抵抗が残った状態になっているはずです。モーターは起動時には機械的には無負荷であっても大電流が流れますがこの起動電流のためにチップは高温になり溶けてしまいます。あまりにも短時間で高温になるため放熱器では吸収できません。

この回答へのお礼

深く追求頂き、ありがとうございます。
ご意見頂いた点について、再考いたします。

お礼日時：2017/06/11 12:53

No.4 回答者： tekcycle 回答日時： 2017/06/10 18:20

全然詳しくありませんが、

GSだけではなくDSの短絡もチェックすべきです。(しなくても判るという話もありそうですが)
https://toshiba.semicon-storage.com/info/docget. …

VDSS　600
ID　9.7
IDP　38.8

また、モーターってコイルの一種ですから、さて、FETのそこそこ高抵抗状態に対して、コイルが電流を流そうとして電圧が高くなった、なんてことが無かったのかどうか。
そのエネルギーが、回転の方に向かってくれれば良いですが、静止摩擦やら何やらで引っかかって回転が止まりでもしたときに、さてどうなるのか。
あるいは、可変抵抗が「ガリッ」となったときに、一瞬FETの抵抗値が増大することで、コイルの電圧が高くなったとか。
ド素人の空想に過ぎませんが。
200Vくらいで動作するツェナーっぽい電圧制限回路をモーターと並列に入れてやるとどうなるのか、とか。
今度は電流制限回路を入れてやるとどうなるのか、とか。
MOSFETを並列に2～3個並べるとどうなるのか、とか。
モーターと並列に入っているコンデンサは無事なのか、とか。
電気でモーターを起動させるのでは無く、その手前のタイミングで手でモーターを回してやるとどうなるのか、とか。
可変抵抗の「ガリッ」対策に、MOSFETのゲートにコンデンサを付けてやるとか。
ド素人の空想ですからあてになりませんが。

この回答へのお礼

ご回答ありがとうございます。
問題点への対策をするにあたり、参考にさせていただきます。

お礼日時：2017/06/11 12:54

No.2 回答者： xpopo 回答日時： 2017/06/10 16:14

回答no.1です。

回答文章がおかしいので下記に訂正します。


DCモーターは起動時の電流は定格回転数で回転しているときに比べて数十倍の電流が流れます。

お使いのモーターは　DC２００V、　１７５W　（多分、定格）より　定格時の電流値Irは

　　Ir　=　１７５W／１００V　＝　１．７５　A

この数十倍の起動時の電流は　２０A　程度かそれ以上になります。一方、使用されているFET（TK10Q60W）のドレイン電流の絶対最大定格はデータシートより９．７Aとなってます。この値はモーターの起動時に推定される電流、　２０A　かそれ以上　に比べて小さすぎます。
以上より、おそらく、過電流でFETが破壊したと推定されます。

この回答へのお礼

モーター起動時の電流の見積もりが甘かったようです。
ご回答ありがとうございました。

お礼日時：2017/06/11 12:50

No.1 回答者： xpopo 回答日時： 2017/06/10 16:10

DCモーターは起動時の電流は定格回転数で回転しているときに比べて数十倍の電流が流れます。

お使いのモーターは　DC２００V、　１７５W　（多分、定格）より　定格時の電流値Irは

　　Ir　=　１７５W／１００V　＝　１．７５　A

この数十倍の起動時の電流は　２０A　程度かそれ以上になります。モーターの起動時の推定される電流、　２０A　かそれ以上　に比べて小さすぎます。
以上より、おそらく、過電流でFetが破壊したと推定されます。Ｚ