MOSFETの静電気対策

MOSFETを使用してモータドライバ回路を組んでいるのですが
何度かFETが壊れて交換をしています。

原因を調べたらどうも静電気による破壊が濃厚になったので
静電気対策をしようと思うのですがよく分かりません。
調べたところ「ゲート-ソース間にダイオードを入れましょう」とのことですが
以下の３点が不安なので教えて下さい。


１、現在、使用しているのは2SK2391でNチャネルなのですが
　　その場合でも「ゲート-ソース間」でいいのでしょうか？

２、ダイオードは1N4007が手持ちであるのでそれでもいいのでしょうか？

３、ゲート側がアノード、ソース側がカソードで良いでしょうか？


宜しくお願い致します。

No.4 ベストアンサー 回答者： xpopo 回答日時： 2012/02/24 00:33

>ちなみに前述したように同じ回路上に全く同じ回路が

>ヒータ用とポンプ用で計３回路あります。
>追加するコンデンサは100uF、0.1uFを各1個ずつでいいでしょうか。

そうですね、各回路に100uF、0.1uFを各1個ずつ入れておけば
大丈夫だと思います。

この回答へのお礼

連絡が遅くなって申し訳ありません。

本日、FET・ダイオード・コンデンサを交換、追加してみました。
ひとまず１、２分程度は問題ありませんでした。
FET温度も室温＋10℃程度でした。

ちなみにダイオードは壊れている様子はありませんでしたが
３Aのものに交換しました。
ちょっと大きいですが安心感が違う気がします。

来週水曜日に長時間使用すると思うのですが
今日の感じからすると問題なさそうです。

本当に本当に何度もアドバイス頂き有難うございました。

お礼日時：2012/02/24 23:18

No.3 回答者： xpopo 回答日時： 2012/02/23 19:11

今晩は、

>C1は現在入ってませんので追加してみます。
>手元に100uFがあるか捜してみます。47uFはあるので最悪はそれを使ってみます。

　コンデンサはアルミ電解の100uFにできれば、積層セラミック・コンデンサの0.1uFを
パラに追加しておいたほうが良さそうです。

>尚、モータ特性が不明だったので動かした時に電流を計測してみたのですが
>立ち上がり時に瞬間的に10Aくらいまで流れます。
>定常時は最大出力で7A程度でした。

　モータの電流、随分と大きいんですね。これだと、
ダイオードは10Aは必要ありませんが３Aクラス位にはしたほうが良さそうです。
できたら、下記のご提案のダイオードに変更したほうが良さそうです。

http://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-02230/

　それから、FETですが、2SK2391のON抵抗（≒0.1Ω)では電力損失が４W近く
にもなりますから本格的な放熱が必要になりますね。
変更をお考えのパワーFET：

http://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-01110/

ならば、発熱は殆どしなくなりますので放熱は不要になると思います。

>また、ドライバからモータまでは配置上50cm程度離れてしまいました。
>電圧が下がらないように2sqを使用しています。

　ケーブル長さが50cmもあれば、インダクタンスとして0.2uH程度の値を持ってしまいます。
このインダクタンスに対して100uFの電解コンデンサが無いと、FETがONからOFFに変化した
瞬間に発生する逆起電圧はたとえダイオードがモータにパラに接続されていたとしても
抑えられません。この逆起電力によってFETが破壊されたんじゃないかと思います。
100uFがあれば、その電圧を吸収してくれますのでFETは破壊しなくなると思います。

この回答へのお礼

度々有難うございます。

今日ダイオードを確認しようと思ったのですが、明日交換作業を
する予定でダイオードはまだ回路上にあります。
実はモータの回路と同様にヒータとポンプのドライバも同じ基板上にあり、
そちらはほとんど動かしてなくてFETも無事と思われるのでそちらと比較してみました。

正常と思われる2つの回路では共に
順方向：3MΩ、逆方向：12MΩ

に対して破壊していると考えられるモータ回路では
順方向：3MΩ、逆方向：6MΩ
となり、ダイオードも壊れていると推測されます。
FETが壊れているせいかもしれないので
実際には明日交換の際に単体で確認してみます。


ダイオードは手元に3Aのものがあったのでそちらに交換してみます。

アルミ電解コンデンサの100uFが手元にありましたのでそちらも
追加しておきます。また、追加する100uFに並列に0.1uFも入れておきます。

ちなみに前述したように同じ回路上に全く同じ回路が
ヒータ用とポンプ用で計３回路あります。
追加するコンデンサは100uF、0.1uFを各1個ずつでいいでしょうか。

ヒータは誘導負荷ではないので心配ないと思いますが
ポンプの方はモータ同様の事象が起こる可能性があるため対応しておきたいです。
但し、電源ラインは共通で50cm１本で来ていますのでインダクタンスが
倍増するわけでは無いと思います。なので各１個でいいかと考えています。

明日、FET・ダイオード・コンデンサ全て交換、追加しますので
一時的には再生出来ると思います。

良い報告ができるように頑張ってみます。

お礼日時：2012/02/23 20:48

No.2 回答者： xpopo 回答日時： 2012/02/22 23:02

今晩は、

早速ですが、以下のコメントおよび、掲載していただいた回路から

>尚、一度目に壊れた時はゲート-ソース間がショートしていました。
>二度目はリーク電流増加？で出力が落ちないし、ON抵抗増加？で異常に発熱しました。
>以上の２点から静電気破壊を想定しました。　

まず、回路で添付回路図のC1（100uF程度）はドライバ回路に使用されてますか？
前回のご質問の回答では回路図に記入しておきませんでしたが、どうも使用されて
なかったようですね。私にの記入ミスですみません。このコンデンサがないと、せっかく
モータに並列に保護ダイオードが接続されていてもモータ電流をoffされた瞬間の
誘導性逆起電力は抑えきれずに、ドレインの電圧は大きな電圧まで跳ね上がってします。
その電圧でFETが破壊されたと推定できます。
　これは、電源の7.2Vバッテリーからドライブ回路までの電源リードがある程度の長さ
（10cm程度？）がありますのでインダクタンスが存在してしまいます。その影響が
無視できないためにドライバ側にコンデンサを使用しなければなりません。

　それから、現在モータに並列に接続されているダイオードは破壊されてませんか？
テスターでオープンになっていないか確認してください。モータの電流が定常時でも
１Aを大きく超えている場合は危険です。その場合は電流容量の大きなダイオードに
変更したほうが安全です。

　それから、ゲートには特に新たに何らかの保護阻止を追加するとか言うことは必要ない
と思います。

　まずは100uF程度の電解コンデンサの追加で破壊が起きないかを確認してみてください。

この回答へのお礼

ご回答ありがとうございます。
xpopoさんは以前教えてくれた方だったんですね。
今気づきました。何度もありがとうございます。

C1は現在入ってませんので追加してみます。
手元に100uFがあるか捜してみます。47uFはあるので最悪はそれを使ってみます。

ダイオードは確認してみます。

尚、モータ特性が不明だったので動かした時に電流を計測してみたのですが
立ち上がり時に瞬間的に10Aくらいまで流れます。
定常時は最大出力で7A程度でした。

やはり大きいダイオードに変えたほうがいいでしょうか？
候補としては下記のものを考えていますが、10Aくらいのものを
探して使ったほうがいいでしょうか？
http://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-02230/
http://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-02229/


また、ドライバからモータまでは配置上50cm程度離れてしまいました。
電圧が下がらないように2sqを使用しています。

想定よりも発熱が大きかったので現在、下記HPのMOSFETを手配中です。
ついでにこちらに変更しようと思います。
出来ればヒートシンクを小型化、もしくは外したいので。
http://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-01110/

明日、進捗を報告したいと思いますが
報告できるのはダイオードの破壊確認くらいになるかもしれません。

お礼日時：2012/02/23 00:19

No.1 回答者： xpopo 回答日時： 2012/02/22 08:35

今日は、

　2SK2391はパワー系のFETです。静電気に対しては添付の2SK2391の内部等価回路
に示すようにゲートとソース間に並列にツェナーダイオードが2本直列にそれぞれ
極性（アノードとカソード）が逆になるように接続されています。したがって、
通常の静電気に対しては十分に耐えられるような構造になっています。静電気で
破壊される可能性は非常に低いです。

　ほかに破壊の可能性として考えられるのは；

１）負荷が誘導性の負荷の場合です。
誘導性の負荷としてはモータやソレノイドなどのようにインダクタンスが含まれる
場合です。ＦＥＴがOFFする瞬間に誘導性の大きな逆起電力が発生し、その電圧で
ドレイン－ソース間が破壊されるか、ドレイン－ゲート間が破壊されることが
あります。

また、
２）NchFETにシリーズにPchFETが接続されているような回路の場合。NchFETとPchFET
の切り替え時に両方のFETが同時にONし貫通電流が流れ、FETが耐え切れずに破壊する
ことがあります。

実際にFETが破壊した回路を示していただければ具体的な原因と対策が考えやすくなります
のでぜひ回路図をアップしていただければと思います。

この回答への補足

尚、一度目に壊れた時はゲート-ソース間がショートしていました。
二度目はリーク電流増加？で出力が落ちないし、ON抵抗増加？で異常に発熱しました。
以上の２点から静電気破壊を想定しました。

補足日時：2012/02/22 10:24

この回答へのお礼

ご回答有難うございます。

ご指摘の通り、データシートを見るとダイオードが入っているようですね。
回路図をアップしましたのでご確認お願いいたします。

この回路は以前、下記質問で教えていただいた回路を元に作成しています。
負荷がモータなので逆起電力対策でダイオードを入れているので
問題ないと思うのですが、不十分なのでしょうか？

もしくはMOSFETへの入力を4kHz程度のPWMにしているため
FETが高速でON-OFFし破壊の原因になっているのでしょうか？
その場合は１段目のトランジスタの前でコンデンサを介してGNDへ落として
平滑化することも検討していますがそういう問題でもないのでしょうか？

http://oshiete.goo.ne.jp/qa/7256205.html

お礼日時：2012/02/22 10:20