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。
公式
仕組み
このカリキュレータは、Hブリッジモータ制御回路のMOSFET定格とゲートドライバ要件を決定します。パワーエレクトロニクスのエンジニア、ロボット設計者、電気自動車メーカーはこのツールを使用して、適切な電圧と熱マージンでモーター電流を処理する部品を選択します。適切な H ブリッジ設計により、壊滅的なシュートスルー障害が防止され、信頼性の高い双方向モーター制御が保証されます。
パワーエレクトロニクスの基礎（Mohan、「パワーエレクトロニクス」、第3版）に従い、Hブリッジは4つのスイッチを使用してモーターを流れる電流方向を制御することにより、順方向、逆方向、ブレーキを可能にします。メーカーガイドラインに基づく主な選択パラメータ：V_DS定格が電源電圧の2倍以上（誘導電圧スパイクを考慮）、I_D連続電圧が1.5倍以上のモータ定格電流、および伝導損失を許容可能な熱バジェットに制限できるほど低いR_DS（オン）
MOSFETの電圧ディレーティングは重要です。JEDECの信頼性ガイドラインによると、長期的な信頼性を得るには、電圧ストレスはV_DS定格の 80% 未満でなければなりません。誘導スパイクが電源の1.5倍に達する24Vモーター・システムには、定格60V以上 (24×1.5÷0.80 = 最小45V、次の標準定格を使用) 以上のMOSFETが必要です。導通損失は R_DS (オン) でスケーリングされます。最新のパワー MOSFET は、30 ～ 60 V の定格で 1 ～ 10 mΩ を実現し、FET あたり 0.1W の損失で 10 A の連続損失を実現しています。10A での合計 H ブリッジ損失:高品質の MOSFET では 0.4 ～ 4 W であるのに対し、300 ～ 500 mΩ の内部スイッチを備えた内蔵ドライバでは 30 ～ 40 W です。
計算例
36V 電動自転車スロットルコントローラー用の H ブリッジを設計します。モーター仕様:定格500W、連続15A、0.5秒間のピーク突入電流45A。
ステップ1 — MOSFETの定格電圧の決定: 誘導性スパイクの推定値:電源電圧の 1.5 倍 = 54 V 80% のディレーティングの場合:V_ds_Min = 54/0.80 = 67.5V 定格80Vまたは100V定格のMOSFETを選択してください (標準値)
ステップ 2 — 定格電流の決定: 連続:I_D ≥ 1.5 × 15A = 最小 22.5A ピーク (パルス): 0.5 秒間 I_D_ピーク ≥ 45A 定格40～60Aの連続MOSFET/120A以上のパルス定格MOSFETを選択してください
ステップ 3 — 特定の MOSFET を選択し、損失を計算します。 IRFB4110 (100V、120A、R_DS (オン) = 25°Cで3.7mΩ、100°Cで5.5mΩ) 1フィートあたり15Aでの導通損失 (2本の導通): P_cond = 15² × 0.0055 × 2 = 合計2.48W
ステップ 4 — 熱要件の計算: TO-220 の IRFB4110: R_θ JC = 0.65°C/W ヒートシンク付き R_θ CS = 0.5°C/W、R_θ SA = 2°C/W: R_θ JA_TOTAL = 0.65 + 0.5 + 2 = 1フィートあたり3.15°C/W フィートあたりのΔT: 1.24W × 3.15 = 3.9°C 上昇—素晴らしい
ステップ 5 — ゲートドライバの選択: 20kHzでのゲート電荷 q_g = 150 nC: i_Gate_AVG = q_g × f = 3 mA 50 ナノ秒のスイッチング時のピークゲート電流:I_ピーク = Q_g/t = 3A IR2104 または 0.5-1A のピークドライブ機能を備えた、類似のハーフブリッジドライバを選択してください。
結果:IR2104 ゲートドライバを搭載した IRFB4110 (100V/120A) MOSFET総導通損失が2.5Wなので、連続15Aでヒートシンクなしで動作できます。100nsのデッドタイム抵抗と47Ωのゲート抵抗を追加してシュートスルーを防止します。
実践的なヒント
- ✓<10 mΩ R_DS (on) for >テキサス・インスツルメンツのアプリケーションノートによると、効率よりも利便性が重視される5A未満のモータには、内蔵Hブリッジ・ドライバIC（DRV8876、DRV8874）を使用し、5～ 10% の効率向上が重要な場合は5AのディスクリートMOSFETを使用してください
- ✓EMCのガイドラインに従い、各MOSFETドレインソースの10mm以内に100nFのセラミックコンデンサを配置し、10～100MHzのスイッチングトランジェントを抑制します。突入エネルギー用にDCバスの両端に100～470µFの電解コンデンサを追加してください
- ✓MOSFETのターンオフ仕様に従い、ハイサイドオフとローサイドオン間のデッドタイムを50～200nsに実装（IR2104や同様のドライバには自動デッドタイム挿入機能付き）
よくある間違い
- ✗正確な電源電圧でのMOSFETの選択：JEDECによると、誘導キックバックは電源電圧の1.5〜2倍に達します。24Vシステムには最低60VのMOSFETが必要です。48VのMOSFETは、数週間から数か月以内に電圧ストレスにより故障します。
- ✗ディスクリートビルドでのフリーホイールダイオードの省略：MOSFETボディダイオードはデッドタイム中は伝導しますが、逆回復が遅い（50〜200ns）。10Aを超える電流には外付けショットキーダイオードを追加してスイッチング損失を20〜40％削減します
- ✗4つのMOSFETすべてに1つのゲート抵抗を使用：寄生発振を防ぎ、インフィニオンのゲートドライバガイドラインに従って個別にチューニングできるように、各ゲートには個別の抵抗（標準10〜47Ω）が必要です
よくある質問
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