バイポーラトランジスタを使ったDCモータ駆動回路について

Question

下記のような仕様のDCモータ駆動回路を作っています。
■最大連続電流：8A
■最大入力電圧：50V
■PWM周波数：1kHz
■回転方向：正回転のみ
■回生動作あり

以上の仕様を満たすため、添付画像のような回路を作って試験動作を行いました。モータをつながない無負荷試験では正常に電圧もでました。しかし、モータをつなげたところ、数秒モータが回転したところで壊れてしまいました。（Q7が短絡モードで壊れ、モータが全開回転を続けるようになってしまいました。）Q7,Q8にはヒートシンクをつけてあったので、熱的には大丈夫だと思っていたのですが・・・
おそらくは、バイポーラトランジスタの駆動回路に問題があるのではないかと思い、いろいろ調べたのですが、よくわかりません。そもそもバイポーラトランジスタの使い方はあまり詳しくなく、ネットを見ながら作ってみました。FETのほうが簡単だったかもしれないのですが、せっかくここまでやったので、バイポーラでがんばってみたいと思います。
何かアドバイスを頂けると幸いです。

xpopo · Accepted Answer

回答NO.2です。いきなり新しい回路を提案しましたが、らまちゃ　さんの添付された回路をもうちょっと詳しく検討してみました。

１）OPアンプLM2902の出力電圧はOPアンプの供給電圧が５Vの場合3.5V程度までしか上がりません。
　その結果Q5,Q6のベース電流が足りなくなります。Q5,Q6のベースーエミッタに並列にそれぞれ16ｋΩが接続されてるのでQ5,Q6のベース電流IB5とIB6は

IB5=IB6=（3.5V-0.7V）／2kΩ－0.7V／16kΩ＝1.36mA

この電流では少なすぎるように思います。
　　最終段のPNPトランジスタQ7がONの時に必要なコレクタ電流IC7は最大８A流さなければなりません。またQ7がONの時にQ7のコレクタ－エミッタ間の飽和電圧VCEsatは極力小さくしなければなりません。そうしないとQ7の電力損失が大きくなりすぎてしまいます。VCEsatを十分小さくするためにはベース電流IB7を少なくともコレクタ電流の1/20以上流さなければなりません（通常これをベースのオーバードライブと言う）
　したがって最低限必要なIB7はIC7max＝８Aとして

IB7>=8A/20＝400mA

となります。
　したがって、トランジスタQ5のコレクタ電流IC5がQ7のベース電流になりますから、IC5はIC5=400mA以上必要だということになります。
（※Q5にはICに400mA以上流せるトランジスタが必要になります。）
　　Q5のｈFEが例えば１００ならばQ5のベース電流IB5は

IB5>=400mA／100＝4mA

以上必要になります。ですから、回路のIB5の設定は不十分だということになります。抵抗R4に必要な値は

R4＜＝（3.5V-0.7V）／4mA＝700Ω→680Ω

と求まります。余裕を見てR4は510Ωにした方が良いでしょう。

それから、IB7に４００ｍA以上流さなければなりませんから抵抗R6は

R6=（50V-0.7V)／400mA＝123Ω　→　120Ω

に変更する必要があります。

以上の変更をする前のオリジナルの回路定数の状態でシミュレーションした結果を添付しました。
　シミュレーション結果は上から順に
　　入力信号V(IN)　　　５Vの１ｋHz、ONデューティー70%
　　2段目のOPアンプ出力V(out_op)
　　トランジスタQ5のコレクタ電圧波形V(c_q1)
　　トランジスタQ7の電力損失波形
　　トランジスタQ7のコレクタ電流波形Ic(Q3）
　　トランジスタQ8のコレクタ電流波形Ic(Q4)
　　モータードライブ出力電圧波形V(mot_out)
この結果から
　１）トランジスタQ7の電力損失
　　　　平均　　　　　：16.5W　　これは非常に大きい。簡単な放熱ではとても追いつかない値です。
　　　　Q7gaONの時　：24W
　２）トランジスタQ7のVCEsat電圧
　　　モータードライブ出力電圧波形V(mot_out)から読み取ると　3.2V　もあります。

Q7が壊れた原因は貫通電流よりこのVCEsat電圧が大きいことによる発熱ではないかと思います。

xpopo · Answer

回答NO.5です。
　大事なことを忘れてました。入力した波形処理にOPアンプLM2902を使われてますが、このオペアンプはスルーレートが約0.3V/usecと非常に小さくこのOPアンプを2段も使うと信号の立ち上がり、立下りがかなりなまってしまいます。最終ドライブ段のPNPの立下り過渡期の電力損失は立下りのスピードが遅いとそれだけ電力損失も大きくなってしまいます。OPアンプは使用しない方が良いと考えます。
追記>>この回路だと抵抗R6の電力損失が10W近くになってしまいます。１０Wもの損失はかなり大掛かりな放熱処理が必要になります。
　　対策として最終段のPNPを小信号PNP＋大電流NPNによるインバーティッド・ダーリントン回路に変更をお勧めします。弊害としては最終ドライブ用のNPNのVCEsatが１V近くになってしまうことです。
　上で述べたOPアンプ削除と最終段のPNPを小信号PNP＋大電流NPNによるインバーティッド・ダーリントン回路への変更を盛り込んだ回路とシミュレーション結果を添付しておきます。
　　　シミュレーション結果は上から
　　　　１）入力信号　V(in)　　1kHz、VH=5v、on duty=70%
            ２）Q1のコレクタ電圧波形　V(c_q1)
　　　　３）最終ドライブの上側のNPNパワートランジスタのエミッタ電流波形　-Ie(Q3)
　　　　４）最終ドライブの上側のNPNパワートランジスタのコレクタ電流波形　Ic(Q4)
　　　　５）モータードライブ出力波形　　V(mot_out)
　　　　６）最終ドライブ用のNPN（Q3)のVCEsat波形　
　　　　７）最終ドライブ用のNPN（Q3)の電力損失波形　　時間2msecでの平均値=5.17W
   となってます。
　　最終ドライブ用のNPN（Q3)のon時のVCEsatは954mVとなってます。
　尚、最終段のドライブ用トランジスタには２SC5242（こちら：http://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-02698/）をお勧めします。ｈFEはOランクなので80~160でお使いのMJE2955の20~70よりは高そうです。

m-jiro · Answer

#1、3です。

モーターと並列のコンデンサは10nFだったんですね。これなら突入電流の心配はないでしょう。
鮮明な回路図を拝見しました。他の方も触れておられますがQ7、Q8のベース電流が少ないです。
MJE2955、MJE3055のhfeはmin15なのでモーターに8A流すならベース電流は500mA程度必要です。
(実際のhfeは30～50のはずですから電流はもう少し少なくてもよいでしょう)
500mA流すとなるとR6は100Ω程度にせねばなりません。問題はこの発熱。duty50%として12Wほど。15～20W型の抵抗に12W食わすと300℃近くになります。冗談でなくヤケドには注意、半田づけが溶けることもあります。
同様にR9も10Ω程度にしないと電流が足りません。ならばQ5、Q6ももっと大きなTrでないと間に合いません。
ドライブが大変なことになるので、一般的には終段はダーリントン接続にします。fheが大きい分ドライブが簡単になるもののスイッチング速度は遅くなるので駆動パルスにデッドタイムを設ける等の工夫が必要だと思います。
またダーリントンでは飽和電圧(Vce-sat)が大きく、その分発熱が増えるので気を付けてください。

xpopo · Answer

回答NO.4です。回答のお礼ありがとうございます。
お礼の欄の質問について以下に回答いたします。

＞Q7のベース電流は100分の1で計算していました。それでは足りないということですね。オーバードライブというんですね。知りませんでした。（D級動作では常識なのでしょうか・・・？）
＞20分の1になるよう、提案頂いた抵抗値で作りなおしてみようと思います。

回答＞＞D級でスイッチング動作させる場合は常識でしょうね。

＞Q5, Q6, Q8についても、同様に20分の1のベース電流を流したほうが良かったりしますでしょうか？Q7だけで大丈夫でしょうか？

回答＞＞そうですね、Q5, Q6, Q8についても、同様に20分の1のベース電流を流したほうが良いです。

m-jiro · Answer

#1です。
もうひとつ、TrのSOAを超えているように思います。原因はモーターと並列のコンデンサ。
図が不鮮明なのですが50μFですか？　4個直列で12.5μFとして話を進めます。
Trの型番も不明瞭なのですがMJ2955とします。
データーシート　→　http://akizukidenshi.com/download/ds/mospec/2n3055_mj2955.pdf

このコンデンサには矩形波が加わるので鋭いパルス電流が流れます。TrがONになる遷移時間(★)を10μ秒とすると、コンデンサはこの間に50Vまで充電されねばなりません。
定電流で充電されると考えれば　50V×12.5μF÷10μ秒＝62.5A　が流れます。
(★注)ONになり始めてから確実にONになりきるまでの時間。10μ秒と仮定していますが、この時間を規定する要素はどこにもありません。強いて言えばTrの応答速度ですが、その正確な値は不明。

MJ2955のSOAグラフは上記リンクの2ページにありますがコレクタ電流は15Aが限界です。前記の62.5Aは4倍オーバーしています。推定値に不確定要素が多いとは言え少々無謀だとは思いませんか？　
このコンデンサに貯まった電荷はNPN－Trでショートされて熱になりますが意外に大きな値で15Wぐらいになるはず。コンデンサにとっても大きな負担ですから発熱するでしょう。
小生ならこのコンデンサは全部撤去します。
もしノイズが問題になるならモーターと直列に小さなインダクタを入れるとよいでしょう。

一般論になりますがTrでもFETでも出力にコンデンサを入れるのはSOAの問題のほか寄生振動を起こしやすくなるので気を付けてください。

xpopo · Answer

今日は。
　この回路ではどう回路定数を弄ってもQ7,Q8に同時に流れる貫通電流を制御するのは困難です。貫通電流もせいぜい数百nsec以下に収まればトランジスタが壊れることはないんですがこの回路ですと非常に難しいです。
　回路を初めから考えるという条件でしたら、添付した回路図がおすすめです。この回路でも最終段のトランジスタQ9とQ11には貫通電流が流れますがその時間は300nsec程度に収まります。
最終段のトランジスタQ9,Q11は発熱します。２つで８Watt程度の程度の発熱が見込まれますのでしっかり放熱してください。
　尚、FETで組めば発熱も大幅に抑えられますので放熱も簡単になります。

m-jiro · Answer

小生モーター駆動はよくわかりませんが、気になったことを少々・・・
（図面の文字が小さくて読み違いがあるかもしれません）
上側PNPパワーTrのB-E間抵抗は10KΩですか？　ならば大き過ぎると思います。
Trは確実にONさせるため過剰のベース電流を流しますが、これはOFF速度を遅らせてしまいます。このためPNP－NPN間に貫通電流が流れている可能性があります。
この過剰な電荷を放電させる要素はB-E間の抵抗しかありません。前段からの抵抗は(字が小さくてはっきりしないのですが)500Ωですか？　ならば駆動電流は100mAですね。B-E抵抗にはこの10～20%を流します。B-E電圧は0.6V程度なので　0.6V÷(10～20mA)＝30～60Ω　となります。
50Ω程度が適当と思います。

もうひとつミラー効果の影響もあるかもしれません。PNPがOFFすると出力電圧は下がります。50V→0V の変化がTrのC-B間の静電容量を通じてベースをONさせてしまうのです。B-E間の抵抗を小さくしておくと軽減できます。

下側のNPNはOFFの際には前段がONします。すなわち過剰な電荷もミラー効果による帰還も前段が吸収するので上記の問題は生じにくいです。

バイポーラトランジスタを使ったDCモータ駆動回路について

回答NO.2です。

回答NO.5です。

#1、3です。

回答NO.4です。

#1です。

今日は。

小生モーター駆動はよくわかりませんが、気になったことを少々・・・

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