本記事では昇圧回路の実験を行っていきます。最終的には300V以上の電圧まで発生させることができました。同様の実験を行う際は、非常に危険ですので、絶対にコンデンサの端子などに触らないでください。
高電圧を大容量のコンデンサに貯める行為は非常に危険です。実際に行う場合は自己責任でお願いいたします。
また、高周波の電磁波も出る場合があります。電子機器等に悪影響を及ぼす可能性があります。物品が壊れたとしても一切責任は取りません。
実際に実験される方は危険な回路を作っていることを自覚しながら作業するようにしてください。
昇圧チョッパー回路にあったMOSFETを考える
前回のブログで昇圧チョッパー回路のインダクタとスイッチングについて記載しましたが、今回はMOSFETの選定方法について記事を書いていきたいと思います。
といっても、細かい知識がないので秋月電子で販売しているMOSFETを複数種類購入し実際に昇圧チョッパー回路に組み込んで、どれがより高くコンデンサを昇圧できるかを実験していきます。
先に書いた「昇圧チョッパー回路について考える」について、まだ読まれてない方は先に読まれた方が良いと思います。ぜひご覧ください。
❶回路の条件
今回使用する昇圧チョッパー回路の回路図は上記の通りです。
MOSFETの比較をしたいのでそれ以外の部品やMOSFETのスイッチング時間は統一させます。
- 電源：9V
- インダクタ：470μH 定格電流9A
- ダイオード:1N4007
- コンデンサ:450V 470μF
- MOSFET:比較対象 スイッチングのNO/OFF時間はともに470μs
➋実験するMOSFETも選定
今回の実験ではコンデンサが300～400V程度まで充電されると想定されます。最低限この電圧に耐えられるMOSFETを選定しなければなりません。
なのでドレイン・ソース間電圧「VDSS」は400V以上のものを選定します。
本来はドレイン電流「ID」も想定される最高電流値の9A以上としたいのですが、比較対象が少なくなるので今回はドレイン・ソース間電圧「VDSS」のみの数値で対象とするMOSFETを選定しました。
また、お金もあまりないので、1個150円以下で買えるものとします。
対象となるMOSFETは下記の13点となりました。
- ２ＳＫ３１１５
- ２ＳＫ３２３４
- ＴＫ１０Ａ６０Ｄ
- ＴＫ１０Ｑ６０Ｗ
- ＴＫ１３Ａ６０Ｄ
- ＴＫ１５Ｊ５０Ｄ
- ＴＫ２Ｑ６０Ｄ
- ＴＫ３Ａ６０ＤＡ
- ＴＫ４Ｑ６０ＤＡ
- ＴＫ６Ａ６５Ｄ
- ＴＫ６Ｑ６０Ｗ
- ＴＫ７Ｑ６０Ｗ
- ＴＫ８Ｑ６０Ｗ
(条件に合うMOSFETには「２ＳＫ２６９８」、「ＭＴＮ４Ｎ６０ＣＩ３」の2点も含まれていたのですが残念ながら在庫を切らしていました。)
❸実験内容
前回と同じ下記の写真の回路構成でMOSFETを差し替えて試験していきます。
MOSFETのゲートへ送る信号は前回と同様に自作のゲートドライバーとArduino Unoを使用します。
MOSFETごとに
- 5秒間コンデンサを充電して電圧がいくつになっているか
を測定していきます。
❹結果
| 品番 | 5s後のコンデンサ電圧 | ドレイン・ソース間電圧(V) | ゲート・ソース間電圧(V) | ドレイン電流(A) | 入力容量(pF) | 帰還容量入力容量(pF) | 出力容量入力容量(pF) | ゲート抵抗(Ω) | 上昇時間(ns) | ターンオン時間(ns) | 下降時間(ns) | ターンオフ時間(ns) | ゲート入力電荷量(nC) | ゲート・ソース間電荷量(nC) | ゲート・ドレイン間電荷量(nC) | ゲートスイッチ電荷量(nC) | 金額(円) |
| 略称 | 結果 | VDSS | VGSS | ID | Ciss | Crss | Coss | rg | tr | ton | tf | toff | Qg | Qgs | Qgd | QSW | \ |
| ＴＫ１５Ｊ５０Ｄ | 320 | 500 | ±30 | 15 | 1800 | 9 | 190 | 40 | 80 | 15 | 110 | 38 | 24 | 14 | – | 115 | |
| ＴＫ１３Ａ６０Ｄ | 310 | 600 | ±30 | 13 | 2300 | 10 | 250 | 50 | 100 | 25 | 140 | 40 | 25 | 15 | – | 120 | |
| ＴＫ１０Ｑ６０Ｗ | 292 | 600 | ±30 | 9.7 | 700 | 2.3 | 20 | 7.5 | 22 | 45 | 5.5 | 75 | 20 | 4.5 | 9.5 | – | 40 |
| ＴＫ８Ｑ６０Ｗ | 288 | 600 | ±30 | 8 | 570 | 2.5 | 16 | 7.5 | 20 | 40 | 5.5 | 70 | 18.5 | 3.5 | 9 | – | 40 |
| ＴＫ７Ｑ６０Ｗ | 266 | 600 | ±30 | 7 | 490 | 1.7 | 13 | 7 | 18 | 40 | 7 | 55 | 15 | 3.2 | 8 | – | 60 |
| ＴＫ１０Ａ６０Ｄ | 257 | 600 | ±30 | 10 | 1350 | 6 | 135 | 22 | 55 | 15 | 100 | 25 | 16 | 9 | – | 100 | |
| ２ＳＫ３２３４ | 256 | 500 | ±30 | 8 | 970 | 18 | 110 | – | 21 | 25 | 25 | 80 | 25 | 4 | 11 | – | 150 |
| ＴＫ６Ｑ６０Ｗ | 245 | 600 | ±30 | 6.2 | 390 | 1.7 | 12 | 18 | 40 | 7 | 55 | 12 | 3 | 6 | – | 30 | |
| ２ＳＫ３１１５ | 236 | 600 | ±30 | 6 | 1100 | 200 | 20 | 12 | 18 | 15 | 50 | 26 | 6 | 10 | – | 60 | |
| ＴＫ６Ａ６５Ｄ | 236 | 650 | ±30 | 6 | 1050 | 5 | 100 | 25 | 60 | 10 | 75 | 20 | 13 | 7 | – | 80 | |
| ＴＫ３Ａ６０ＤＡ | 164 | 600 | ±30 | 2.5 | 380 | 2.5 | 45 | 15 | 35 | 7 | 55 | 9 | 5 | 4 | – | 50 | |
| ＴＫ４Ｑ６０ＤＡ | 145 | 500 | ±30 | 3.5 | 490 | 3 | 55 | 18 | 40 | 8 | 55 | 11 | 6 | 5 | – | 10 | |
| ＴＫ２Ｑ６０Ｄ | 104 | 600 | ±30 | 2 | 280 | 1.5 | 30 | 15 | 35 | 7 | 55 | 7 | 4 | 3 | – | 30 |
やはりドレイン電流「ID」は高い方がコンデンサ電圧が高い傾向があることがわかります。
今回の回路では最高で電流を9A流すことを想定していましたので、ドレイン電流「ID」も9A以上が良いといえます。
私はスイッチングにかかわるパラメータ、特に下降時間「tf」、ターンオフ時間「toff」が小さい方が良い結果が出ると予想していましたが、そうでもなさそうです。
といっても、ドレイン電流「ID」が高いものはスイッチングにかかわるパラメータも高くなる傾向があるので、ドレイン電流が大きく下降時間「tf」、ターンオフ時間「toff」が小さい方MOSFETがあれば理想に近づくかもしれません。
本試験の結果から、今回の回路構成で電圧を上げたいなら「ＴＫ１５Ｊ５０Ｄ」、安く小型の回路にしたいなら「ＴＫ１０Ｑ６０Ｗ」がよさそうです。
