スイッチング電源の 高性能化・高効率化技術

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1 パワーエレクトロニクス工学論 1. 基本素子 1-1 パワーデバイス (1) スイッチング パワーデバイス バイポーラトランジスタ サイリスタ(GTO) パワー MOSFET IGBT (2) ダイオード PN 接合 ショットキー バリア ダイオード ファースト リカバリー ダイオード 1-2 受動素子 (1) インダクタ (2) コンデンサ H27 群馬大学大学院講義パワーエレクトロニクス工学論 1-1

2 1. 基本素子 はじめに : スイッチング電源とは * 基本部は MOSFET ダイオード コイル コンデンサで構成 *MOSFETをON/OFFスイッチングしてエネルギを伝達 高効率 * 電圧 ( 電流 ) をフィードバック制御するレギュレータスイッチングのデューティ 周期を可変制御 主な課題 * 電力スイッチングにより Vi MOSFET (Pch/Nch) L Vo 出力電圧にリプル発生 * 全ての負荷電流 温度に対して R 安定性の確保 負荷 デューティ D: 時比率 1 周期に対する ON 時間の比率 コントローラ スイッチング電源の構成例 K H27 群馬大学大学院講義パワーエレクトロニクス工学論 1-2

3 出力容量 (VA) 1.1 パワーデバイス (1) スイッチング パワーデバイス 1) 各種スイッチング パワーデバイスの応用システム 100M 10M 1M 100k 10k 直流送電電車 サイリスタ G T O モータ制御 IGBT モジュール 工業機器自動車 スイッチング電源 1k トトランジスタ MOSFET ラモジュールイモジュール移動体 100 通信アッ MOSFET 10 ク LDMOS k 10k 100k 1M 10M 100M 1G 10G 動作周波数 (Hz) H27 群馬大学大学院講義パワーエレクトロニクス工学論 1-3

4 2) 各種スイッチング パワーデバイスの種類と特徴バイポーラトランジスタサイリスタ (GTO:Gate Turn-off) 電流制御デバイス バイポーラ複合デバイス 尐数キャリア蓄積効果 低周波 大電力 ( オン抵抗小 遅延大 ) 電流の温度係数正( 過負荷に弱い ) パワー MOSFET 電圧制御デバイス キャリア蓄積なし ( 高速スイッチング ) 電流の温度係数負 ( 熱的に安定 ) IGBT:Insulated Gate Bipolar TRS ( 絶縁ゲートバイポーラトランジスタ ) 電圧制御デバイス MOS/ バイポーラ複合 (MOS とバイポーラの良いとこ取る ) H27 群馬大学大学院講義パワーエレクトロニクス工学論 1-4

5 3) バイポーラトランジスタ (A) バイポーラトランジスタの構成 エミッタ E ベース B コレクタ IC Ic 飽和領域 活性領域 N+ 電子 N コレクタ P ベース ヘ ース IB RL VCE IB N+ コレクタ VBE コレクタ C (a) 断面構造 エミッタ (b) 回路記号 (c)i-v 特性 VCE H27 群馬大学大学院講義パワーエレクトロニクス工学論 1-5

6 (B) バイポーラトランジスタのスイッチング特性 IC Eg IB RL IB Rg VCE Eg IC td ts tr tf (a) 基本回路 (b) スッチング波形 tr スイッチング時間 td : 遅延時間 ts tf コレクタ接合に蓄えられていた電荷の放電時間 : 立上り時間 トランジスタとして動作する時間 : 蓄積時間 キャリア蓄積によるターンオフ時の遅れ時間 : 下降時間 トランジスタとして動作を停止する時間 H27 群馬大学大学院講義パワーエレクトロニクス工学論 1-6

7 4) サイリスタ (GTO;Gate Turn-Off 型 ) カソード K ゲート G カソード GTO はゲートに逆電流を流すことによりターンオフ機能を有するサイリスタ Ia N+ Pベース Nベース P+ アノードアノードA ゲートゲートトリガ Ig Ig (a) 断面構造 (b) 等価回路 (c)i-v 特性 Ia アノード Vak ( 逆阻止サイリスタの例 ) H27 群馬大学大学院講義パワーエレクトロニクス工学論 1-7

8 5) パワー MOSFET (A) MOSFET の構成と基本動作 ゲートG ソースS VG ドレインD VD ID 非飽和領域 Ron VP 飽和領域 VGS N+ 層 L チャネル長 反転層 空乏層 RL P 基板 VGS BVDS VGS = VT VDS (a) 基本構造 (N チャネルの例 ) (b) バイアス回路 (c)i-v 特性 H27 群馬大学大学院講義パワーエレクトロニクス工学論 1-8

9 (B)MOSFET のスイッチング特性 スイッチング時間 ID Eg td1 : 遅延時間 ゲート容量をしきい電圧以上にする充電時間 Rg RL Vg (a) 基本回路 Vg VDS IC td1 tr td2 tf 90% 10% (b) スッチング波形 tr td2 tf : 立上り時間 FET として動作する時間 : 遅延時間 ゲート電荷の放電に要するターンオフ時の遅れ時間 : 下降時間 FET として動作を停止する時間 H27 群馬大学大学院講義パワーエレクトロニクス工学論 1-9

10 (C)MOSFET の等価回路 * スイッチング時間を制限する項目 ゲート抵抗と容量の時定数 チャネルの遮断周波数 1 1 f C = 2 p Rg Cgs-(1-Ao)Cgd) Cgd によるミラー効果に注意 Rg Cgd ~ V G Cgs g m V G Cds R L Ao: 低周波での電圧利得 Rg : ゲート抵抗 Cgs: ゲート ソース容量 Cds: ドレイン ソース間容量 Cgd: ゲート ドレイン間容量 RL : 負荷抵抗 MOSFET における飽和領域の等価回路 H27 群馬大学大学院講義パワーエレクトロニクス工学論 1-10

11 (D) データブックの一例 (MOSFET) 電気的特性 :HAT2057RA(NMOS) R ON =0.026 Ω t ON =15 ns t OFF =65 ns * ルネサステクノロジ資料より H27 群馬大学大学院講義パワーエレクトロニクス工学論 1-11

12 電気的特性 :HAT1025R(PMOS) R ON =0.065 Ω t ON =20 ns t OFF =120 ns * ルネサステクノロジ資料より H27 群馬大学大学院講義パワーエレクトロニクス工学論 1-12

13 N+ 6) IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) 電圧ドライブ形バイポーラトランジスタ エミッタ ゲート Pべース 電子電流 絶縁膜 ゲート エミッタ 電流 Ic Ron VGE 正孔電流 N ベース VGE P+ コレクタ コレクタ VCE コレクタ CB 間順方向電圧 (a) 断面構造 (b) 等価回路 (c)i-v 特性 VCE H27 群馬大学大学院講義パワーエレクトロニクス工学論 1-13

14 (2) ダイオ - ド 1)PN 接合 * 順バイアス : ダイオード特性 N 層 ー + ー + ー + ー + P 層 VF I 空間電荷層 ( 空乏層 ) (a) ダイオード構造 VF (b) 回路記号 VF * 逆バイアス : キャパシタンス特性 ( バリキャップとして動作 ) (VF<0) (c) 電流ー電圧 (I-V) 特性 H27 群馬大学大学院講義パワーエレクトロニクス工学論 1-14

15 2) ショットキー ダイオード SBD(Schottky Barrier Diode) I *VF が小さい * スイッチングが速い 金属 半導体 VF * 逆耐圧がやや小さい 耐圧の低下 (a) ショットキー D の構造 (b) 電圧 - 電流特性 3) ファースト リカバリ ダイオード FRD (Fast Recovery Diode) * 逆バイアスによる蓄積電荷が尐ない * スイッチングが速い H27 群馬大学大学院講義パワーエレクトロニクス工学論 1-15

16 参考 ダイオ - ド特性の一例 ショットキー ダイオードの特性例 * 順電圧 * 接合容量 ファースト リカバリー ダイオード相当品の特性例 * 順電圧 : * 接合容量 * 東芝資料より H27 群馬大学大学院講義パワーエレクトロニクス工学論 1-16

17 1.2 受動素子 (1) インダクタ ( コイル ) (A) インダクタの概要 選定のポイント : * インダクタンス値以外に 直列抵抗 電流容量などに注意 * インダクタンス値は 通常 100kHz で測定 インダクタの種類 * 空芯コイル : 小さいL 値 磁気飽和無し ( 小電流用 ) * 磁芯コイル : ボビン形 トロイダル形磁気飽和に注意を要する ( 最大直流電流 ) インダクタンス値 : トロイタ ル形 >ホ ヒ ン形 ボビン形 トロイダル形 H27 群馬大学大学院講義パワーエレクトロニクス工学論 1-17

18 インダクタの一例 * 定格電流は L 変化 (-10%) と温度上昇 (+40 ) で規定の小さい値 TDK 資料より H27 群馬大学大学院講義パワーエレクトロニクス工学論 1-18

19 (B) インダクタの自作 インダクタンス :L 巻数の 2 乗に比例 ボビン面積 S 巻数 N 透磁率 μ 等価磁路長 M インダクタンス :L=μSN 2 /M=ALN 2 [H] ボビンの形状で A L 値が決まる 透磁率 : 自由空間の透磁率 :μ O =4π 10-7 [H/m] μ=μ R μ o [H/m] (μ R : 比透磁率 ) ( ボビン形 :A L =48~54nH) 比透磁率 * 空芯 : 1 * 鉄粉 : 100 * フェライト : 1,000 * ケイ素鋼 : 3,500 * センダスト :30,000 H27 群馬大学大学院講義パワーエレクトロニクス工学論 1-19

20 巻数と L 値の関係 ( 一例 ) L=A L N 2 L 値 (nh) 10,000,000 (AL=50nH のボビン使用 ) 1,000, ,000 10,000 1, 巻数 N( 回 ) H27 群馬大学大学院講義パワーエレクトロニクス工学論 1-20

21 直列抵抗 : r L ボビン平均直径 d 線材直径 φ 抵抗率 ρ(= Ωm) 巻数 N *rl = 抵抗率 長さ / 断面積 ρ(πd N)/(πφ 2 /4)=4ρdN/φ 2 ex. d=8mm φ=0.8mm N=20T 抵抗率 ρ[ωm]: R=Lρ/(πd 2 /4) rl=17mω 導電率 σ=1/ρ * 銀 : * 鉄 : * 銅 :1.68 * はんだ : 14.3 * 金 :2.21 * ステンレス : 72.0 * アルミ :2.65 IC 配線 : アルミ 銅 はんだ 鉄 : 銅の 6~8 倍 H27 群馬大学大学院講義パワーエレクトロニクス工学論 1-21

22 線の抵抗値 (mω/m) 巻き線の直流抵抗 : 巻線径の 2 乗に反比例 φ:136mΩ/m φ:34mΩ/m 線の直径 (mm) *L の確保に巻数を増加 抵抗値増加 線径を太くして r の低減を図るが H27 群馬大学大学院講義パワーエレクトロニクス工学論 1-22

23 (C) インダクタの表皮効果 表皮効果 (Skin Effect): 高周波信号は線材の表面部分に集中 * 表皮深さ (Skin Depth) δ= 2 / ω μ σ [m] = 2.09 / f [mm] ただし μ=4π10-7, σ : 導電率 ( 銅 = ), f [khz] 周波数と表皮深さ: f [Hz] 1k 10k 100k 300k 1M 3M δ[mm] * 抵抗値 : 径の 2 乗に反比例のはずが 単に反比例 f>300khz では φ=0.24mm 以上の線材では 径を 2 倍にしても 抵抗値は半分になるのみ ( 狙いは 1/4) H27 群馬大学大学院講義パワーエレクトロニクス工学論 1-23

24 (D) 使用上の注意 コイル電流と磁気飽和の影響 磁気飽和 * 電源用コイルは 通常中心に強磁性体の磁芯あり ( 有芯コイル ) *B-H 曲線ヒステリシス特性により 電流増加 磁気飽和気味 L 低下 コイル電流の増加 磁気飽和とコイル電流 * コイル電流 il は 三角波 飽和気味でピーク電流が高まる *L 値 =B-H 曲線の接戦 il 高負荷時 低負荷時 B-H 曲線 ( 磁気ヒステリシス曲線 ) 磁気飽和とコイル電流 H27 群馬大学大学院講義パワーエレクトロニクス工学論 1-24 t

25 (2) コンデンサ (A) パワー用コンデンサの種類と特徴 * アルミ電界コンデンサ : 大容量 形状大きい ESR が大きい :ESR= 数 100mΩ 高周波 (>1MHz) では容量効果無し * 分子半導体コンデンサ 有機性容量はやや小さい 主に ESR を対策 :ESR= 数十 mω * 積層セラミックコンデンサ容量が小さい 高周波ノイズ用 ESR= 数 mω ( 現状 :47μ F/50V が限界 ) 使用温度 : 通常 95 電源用 105 測定法 :20 120kHz(or 100kHz) *ESR: 等価直列抵抗 (Equivalent Series Resistance) *ESL: 等価直列インタ クタンス (Equivalent Series Inductance) H27 群馬大学大学院講義パワーエレクトロニクス工学論 1-25

26 (B) パワー用出力コンデンサの周波数特性と ESR * リード線の浮遊 L により IMHz 以上では誘導性 * インピーダンス : 共振点では本来 Z=0 実際は Z=ESR 100uF 日本ケミコン資料より 太陽誘電資料より H27 群馬大学大学院講義パワーエレクトロニクス工学論 1-26

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