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H ブリッジ MOSFET セレクション

DCモータードライバーのピーク電流、導通損失、最小電流定格を含むHブリッジMOSFETの要件を計算します。

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公式

I_peak = I_rated × k, P_cond = I²× R_DS(on)

k — Inrush multiplier (×)
R_DS — MOSFET on-resistance (Ω)

仕組み

Hブリッジは、DCモーターに双方向の電流を流すように配置された4つのスイッチ（通常はMOSFET）で構成される電源回路です。対角線上のペアをオンにすると、ブリッジはどちらの方向にも電流を流し、順方向、逆方向、ブレーキが可能になります。主な選択パラメータとしては、モータ定格電流の1.5倍以上の連続ドレイン電流 (I_D)、電源電圧の2倍以上のドレイン-ソース電圧定格 (V_DS)、導通損失を最小限に抑えるためのオン状態抵抗 (R_DS (on))、およびゲートドライバの駆動能力に適合するゲート電荷 (q_g) があります。

計算例

ピーク突入電流が30Aの24V、10Aの連続モータを駆動するHブリッジ用のMOSFETを選択してください。
ステップ 1 — 定格電圧 (2 × ディレーティング):
V_DS ≥ 2 × 24 = 48 V → 60 V 定格の MOSFET を使用
ステップ 2 — 定格電流 (1.5× 連続+ハンドルピーク):
I_D_cont ≥ 1.5 × 10 = 15 A 連続
I_D_ピーク ≥ 30 A (突入時)
→ 定格40Aの連続電圧/100Aのピーク電流定格MOSFETを選択してください
ステップ3 — 定格電流でのMOSFET1個あたりの導通損失:
100 °C で R_DS (オン) = 8 mΩ と仮定します (例: IRFB3207)
P_Cond = I² × R_DS (on) = 10² × 0.008 = FET あたり 0.8 W
4 つの FET の合計 (2 つはいつでも導通可能): 2 × 0.8 = 1.6 W
ステップ 4 — ゲートドライバの要件:
q_g = 70 nC (この FET クラスの標準値)
20 kHz PWM では、ゲート駆動電力: p_g = q_g × V_gs × f = 70e-9 × 12 × 20000 = FET あたり 16.8 mW → 無視できる
ステップ 5 — デッドタイム要件:
t_dead > t_fall + margin = 50 ns + 20 ns = 最小 70 ナノ秒 (100 ns に設定)
結果: R_DS (オン) が 10 mΩ 未満の 60 V/40 A MOSFET (例:IRFB3207、STP60NF06) が適しています。ブートストラップハイサイドドライブを備えた専用のゲートドライバ IC (IR2104 など) を追加してください。

実践的なヒント

  • ✓ディスクリートロジックではなく、専用のHブリッジゲートドライバIC（DRV8876、L298N、IR2104など）を使用してください。これらのICは、シュートスルー保護、デッドタイム挿入、および適切なハイサイドブートストラップドライブを提供します
  • ✓スイッチングトランジェントを抑えるため、100nFのセラミックデカップリングコンデンサを各MOSFETのドレインソースのできるだけ近くに配置し、電源レールの両端に100～470µFの電解コンデンサを大量に追加します。
  • ✓内蔵HブリッジIC（L298N、DRV8833）の場合は、内蔵スイッチのR_DS（オン）を確認してください。多くの内蔵ドライバのオン抵抗は1～3Ωで、2～3Aを超える電流では著しい電圧降下と発熱を引き起こします。

よくある間違い

  • ✗電源電圧とまったく同じ定格のMOSFETの選択-モーターのインダクタンススイッチング (L×di/dt) による電圧スパイクは、DC電源電圧を容易に超えるため、常にV_DSを少なくとも2倍に下げる
  • ✗フライバック (フリーホイール) ダイオードの省略 — MOSFETにはデッドタイム中に導通するボディダイオードがありますが、高速ディスクリートショットキーダイオードは大電流アプリケーションの回復時間とスイッチング損失を低減します
  • ✗4つのMOSFETすべてに1つの共有ゲート抵抗を使用する。寄生発振を防ぎ、スイッチング速度を個別に調整できるように、各ゲートには独自の抵抗が必要です。

よくある質問

同じブリッジレッグのハイサイドMOSFETとローサイドMOSFETの両方が同時にオンになると、シュートスルーが発生し、電源からグランドへの短絡が発生します。これは、一方のFETをオフにしてからもう一方のFETをオンにするまでの間にデッドタイム（通常は50～200ns）を設けることで防止されます。最新の H ブリッジドライバ IC はデッドタイムを自動的に実装します。
内蔵HブリッジIC (DRV8876、TB6612FNG、L298N) は、最大3～5Aの電流に対応でき、保護機能を内蔵しています。5 A を超えるモーターの場合、ゲートドライバー IC を搭載したディスクリートの MOSFET を使用すると、R_DS (on) が低く、熱管理が向上し、デッドタイムやスイッチング速度に柔軟に対応できます。
ゲート駆動損失、ドライバICの静止電流、ボディダイオードからの漏れはすべてアイドルヒーティングの原因となります。50% に近い高デューティ・サイクルでの高周波PWMは、スイッチング損失を最大化します。可聴ノイズを避けるために PWM 周波数を最小限に抑えると、通常はドライバの発熱が大幅に減少します。

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