パワーデバイスについてご質問

今回試験的に10Aほどの電源を設計しているのですが
実稼働では1セルで150Aなのです
普通こういう場合は(容量大)FET/IGBTなんでしょうか?
トランジスターなんでしょうか?
大容量インバータなどは
特殊トランジスターしか聞いたことがないのですが
現状トランジスターも使用されていると思うのですが
大容量の場合はどちらが適しているのでしょうか?
FETの場合はドライブ容量が
小さくて済むような気もするのですが。

  • トランジスターと言えばFETもトランジスターですから
    語弊がありますのでトランジスターではなく
    バイポーラトランジスターとMOSとの
    用途が大電力用で使用されているか?
    ということになります。
  • EDNの記事等見てみると
    三菱電機第7世代IGBTとか、
    インフィニオン EconoDUAL 3:
    とか出てきますのでやはりIGBTなのでしょうね
    まーそうは言ってもいきなりそんな高額のものを
    すぐに使用することもありませんので
    とりあえずRJH60T04DPQ-A1で10Aのものをやってみます
    それでうまく行ったらこれを並列に駆動する方法もありますし
    価格比から大きなものを選択するということも考えられます
    EV車等でもやはりIGBTが使用されているのではないかと察せられます。
  • IKUZOさんこの案件では他でも色々質問されていますが社内でAC/DC大容量電源開発の経験者は居られないのでしょうか?
    AC/DC電源でDC100V/10A(1Kw)の仕様は電源開発経験者でも色々難しい案件だと思います。
    私は複合機のIH加熱定着器(1.3Kw)の設計経験がありますが、けっこう色々苦労しました。

    IGBTはGateがFET構造で出力がトランジスタ構造になっています。
    日本で開発されたデバイスで電圧ドライブのFETとVce飽和電圧が電流によりほとんど変化しないトランジスタの特性の良いとこ取りのデバイスになっています。
    従って出力電流が増えると、IGBTのは場合On時損出は電流に比例して増大し、FETの場合は電流の2乗に比例して増大してしまいます。

    具体的にはIGBTの場合Vce(sat)が0.5Vで出力電流が10AとするとON時損出は0.5VX10A=5W
    FETの場合On抵抗が0.5Ωで出力抵抗が10AとするとOn時損出は0.5ΩX10Ax10A=50Wと非常に大きくなってしまいます。(FETのOn抵抗は温度に比例して大きくなって更に損出が大きくなります)

    IH加熱定着期では専用の良い制御ICが無く温度をフィードバックしMCUで共振周波数PID制御して結構開発に時間がかかりました。電源用には良いLLC電流共振制御ICが多数出ているので、まずLLC電流共振制御ICのデータシートを見て制御動作勉強するのが宜しいかと思います。

    それとAC/DC電源には安全規格(電気用品、UL,CSA等)認定が必要になるので1次2次間の必要基板パターン距離とか、トランスの絶縁距離とかも考慮した設計が必要になりま。

    非常に難しい開発案件だと思いますが、がんばって下さい。
  • パワーMOS-FET.vs.IGBTは電流ではなく電圧だと思います。
    発発やコージェネやソーラーやHV車や100V以下の安定化電源など400V以下のDC/DCでIGBTなんて聞いたことがありません。
    これくらいの電流電圧ならパワーMOS-FETも充分に低オン抵抗になると思います。
    IGBTは面なのでパワーMOS-FETに比較して低オン抵抗のような印象がありますが、パワーMOS-FETの性能の良さや進歩には驚きます。
    インターネットで検索するとIGBTはもっと高電圧の鉄道などのペーパーが多くヒットします。
    D社やC社のアマチュア無線用とかM社の実験用の100V以下の安定化電源などは入手性も良いのでパクッチャウ(参考にする)のはいかがですか?

  • IKUZOさん

    IGBTとPOWER MOSは周波数vs電圧・電力なのかなと思います。

     

    AC100VからDC200にするのにIPM使ったことありますけど、IPMの制御ミスしてH側とL側が同時ONして貫通電流が流れてIPMが派手に燃えました^^;

     

    PS

    山さんがいればいろいろお話を聞けそうですけど、、、^-^

  • kuutaさん
    回答ありがとうございます
    「社内でAC/DC大容量電源開発の経験者は居られないのでしょうか?」
    全くおりません、だれに聞いてよいのやら、
    「AC/DC電源でDC100V/10A(1Kw)の仕様は電源開発経験者でも色々難しい案件だと思います。」
    ですよね~
    「けっこう色々苦労」されたのですね、お伺いすると
    なるほどIGBTってアドバンステックなデバイスなんですね使わない手はありませんね
    「温度をフィードバックしMCUで共振周波数PID制御」ははあ、興味がわきます
    「LLC電流共振制御ICのデータシートを見て制御動作勉強する」勉強いたします
    「AC/DC電源には安全規格(電気用品、UL,CSA等)認定が必要」なるほどそうなんですね
    おもしろそうだなと気軽に考えておりますが、これからですね。
  • kijoさん
    回答ありがとうございます
    「パワーMOS-FET.vs.IGBTは電流ではなく電圧だと思います。」なるほどですね
    「400V以下のDC/DCでIGBTなんて聞いたことがありません。」ですよね
    「これくらいの電流電圧ならパワーMOS-FETも充分に低オン抵抗になると思います。」
    ですよね、ただこれは私の最初の実験でして
    目標がありまして、それは水力と太陽光からのダイレクトやらないといけないのです
    つまり100Vぐらいじゃないということで最終的にはDC/ACの0V~600Vぐらいの入力に
    対応しないといけないのです、それで将来のことも考えまして、
    「実験用の100V以下の安定化電源」ですんじゃえば私の仕事も無くなってしまいますので。

  • Kirinさん
    回答ありがとうございます
    「周波数vs電圧・電力」そうですね、
    IGBTで周波数高いのあればトランスやコンデンサーも小さいので済むのでしょうか?
    「AC100VからDC200にするのにIPM使ったことありますけど、
    IPMの制御ミスしてH側とL側が同時ONして貫通電流が流れてIPMが派手に燃えました」
    Kirinさんもいろいろ経験されたんですね、
    そうであれば少々のことも恐ろしくはないでしょう?
    「山さん」ですよね、谷のようなところでなくこっち来てほしいですよね
    待っているのですがね、だめなんでしょうか?
  • kuutaさん

    「IH加熱定着期では専用の良い制御ICが無く温度をフィードバックしMCUで共振周波数PID制御」とかIH等ですと、

    トランスはないですよね、

    コイルを共振させて少ない電力で発熱するようにするのですか、

    温度によるフィードバック制御とかコイルとの共振とか、

    まさにIHの核心ではないでしょうか、

    社内の技術的な内容は門外不出ではないのですか?

    今はまた新しくなっているのでしょうか?

  • Kirinさん
    わかりやすい絵を添付してくださり、ありがとうございます
    これで一目りょう然ですね、1K以上はIGBTなんですね
    たいへんなことになるかもしれませんが
    大型のIGBTを使用した設計をやってみたいですね
  • ルネサスがコンシューマービジネスに力を入れていたころはIHレンジや炊飯器などをターゲットにしたシステム図付きでマイコンの紹介がありました。自動車・産業・ブロードベースに注力でIH製品用マイコンはなくなってしまったようです。産業用の要求が多いので現状でコンシューマービジネスに力を入れている半導体メーカが思いつきません。おそらく中国あたりの聞いたこともないメーカと予想します。

    IGBT/パワーMOS-FET/SiCの担当者はそれぞれ自分のモノが万能で一番と言います。弊社上層部は、新聞の活字の大きさで判断することが多いようです。ハイブリッド車にSiCの大きな見出しを役員が見てしまうと、ハイブリッド車と無関係なのにSiCを使えと言い出します。
    IGBTはパワーMOS-FETのドリフト層下にP+層を追加した構造(たぶんエピ)なので、常識的にはパワーMOS-FETよりもかなり高価になります。工事現場で見かける5KVA程度のインバータ発発のDC/DCとインバータもパワーMOS-FETのようです。IGBT/パワーMOS-FET/SiCのなかでパワーMOS-FETはもっとも製品が豊富で安価なので図の5~10KW以下は超低速までパワーMOS-FETと私は思います。
    パワーの最も小さいエリアのBJTはハーフブリッジあるいはコントローラと一体などマルチチャンネルの可能性が出てきます。最新の閾値には大変興味があります。
  • kijoさん
    「IHレンジや炊飯器」用ということで小型のものはルネサスサイトでも今量産中ということで
    収束はしていませんよね、こういうものは需要がなくなるものではないので
    底堅いのかもしれませんよ、LCDとかKEY入力とか自由にできるRL78マイコンとか
    抱き合わせて紹介されていますね、ただ特殊の部類になるのか大きな容量のものは
    ルネサスサイトでも検索不可能のような気がします
    どれだけ儲かるかというのが社の方針でしょうから、なかなか想像できませんよね
    今回の設計でIGBTのRJH60T04DPQ-A1をサンプルあるいは見積お願いしているのですが
    基板が上がってくるのが月曜日なのでたぶん間に合わないので、つなぎの意味で
    それはそれでお願いしておいて、間に合わなければ、MOSFETの2SK1449でも
    やってみようかと、これは部品箱に放置されている廃品ですが
    パルスドライブトランスがMOS、IGBT用なので、バイポーラトランジスタ
    は接続できませんので、ルネサスと三菱半導体は合併していないのですか
    三菱半導体では大型のIGBTなども多数あるようですが?
  • IHは加熱コイルになります。(Cを並列に接続して共振させる)
    薄いフイルムベルト上に発熱層を蒸着(?忘れた)物を回転させ、加熱コイルから発生した磁界をフイルムあてることで渦電流を発生させて発熱させています。
    数秒で200~300℃程度まで上昇するので発熱フイルム回転させないと燃えます。(その前に温度ヒューズが切れるので大丈夫ですが)

    IH加熱をコピー機定着器に応用はじめたのは今経営危機にあるT社(調理器IH技術が社内で保有していた)です。
    この辺の技術は電子写真業界(C、R、FX、KM社その他)の電子写真学会の論文で発表(当然発表前に特許申請済)している良く知られた内容で心配はありません。
    今は電子写真業界を離れ自動車業界で働いているので最新の状況は分からないのですが・・・・・

    SWデバイスについてはFETもIGBTも私が設計していた当時(6年前)から性能も良くなっているようです。

    当時京都の方のR社さんがシリコンカーバイトSic製品を出したばかりで、問い合わせをしましたが、歩留まりが悪く1個1万円を切るくらいのお断り回答でした。(今は千円切る位になってるのかな?)

    IGBTとFET何社からサンプル入手して検討しましたが、IH定着器アプリケーションではIGBTのロスが少なかった(ヒートシンクの熱設計すると差が歴然と出た)のとコスト的にもそれ程大きな差が無かったのでIGBTを採用しました。(ちなみにルネサスさんのところで叱られるかもしれませんが、ドイツのパワーデバイスに強いメーカさんのIGBTとドライバーを使いました)

    IKUZOさんの開発案件、アプリケーションによって最良デバイス選定は違ってくるのである程度並行に検討していっても良いのかと思います。

    それとSWトランスの方の質問で小容量のSWトランスで実験しようとしてるみたいですが、設計値以上の電流を流す(コア飽和設計充分余裕取っていると思いますが)とコアが飽和してLがショート状態になりSWデバイスが壊れる虞があるので充分注意しながら行って下さい。
  • kuutaさん
    アドバイス賜りありがとうございます、自動車業界で働いておられたのですね、

    とても励みになります、トランスの件飽和状態で支障が出る場合のことは
    十分注意いたします、定格以上の動作をさせるとトランスの特性が異常になりその結果
    デバイスの破壊に至ることを注意いたします、

    MOSの場合はZVS動作をさせる場合はダイオードとコンデンサーをソースとドレイン間に
    接続するのですが、IGBTの場合はこれがバイポーラトランジスタだと思うのですが
    MOSの場合と同じような考え方でよろしいでしょうか?

    唐突な質問ですが、アドバイスはいただけますか?

  • Kirinさん
    「AC100VからDC200にするのにIPM使ったことありますけど、IPMの制御ミスしてH側とL側が同時ONして貫通電流が流れてIPMが派手に燃えました^^;」
    IPMとはどういうものなのですか?
    IPMの制御というのは簡単に燃えるのですか?保護回路は入っていないのですか?
    温度ヒューズぐらいはありそうなものですが。