電子工作「電界効果トランジスタ(FET)の使い方」についてご紹介
ご訪問ありがとうございます。
今回は、電子工作「電界効果トランジスタ(FET)の使い方」についてご紹介します。
「電界効果トランジスタ(FET)の使い方」について
電界効果トランジスタは、入力インピーダンスが非常に高いということと、ON時のドレイン・ソース間抵抗が非常に小さいという2つの特徴がそれぞれ活かされた使い方でよく設計されています。
大電流制御を必要とするモータドライブで活躍する「パワーMOSFET」
特にパワーMOSFETのON抵抗は非常に小さく、電流をたくさん流しても発熱を少なくでき、負荷に効率よくエネルギーを伝達できるため、大電流制御を必要とするモータドライブなどに多用されています。
今回は、主にパワーMOSFETのドライブ回路での使い方を中心にご紹介します。
MOSFETを選択するポイントは3つ
ドライブ用に使うMOSFETを選択するポイントは下記の3点となります。
【1】何ボルトまで使えるか
最大定格の中のドレインソース間最大定格電圧(VDss)で見ます。実際には、これの1/2以下の電圧で使うようにします。
【2】何アンペアまで流せるか
2つの観点から考えます。まず、ドレイン最大定格電流(In)は絶対超えられない値です。これも実際の使用では、1/2以下で使います。
もう一つは許容損失(P)で、何ワットまで使えるかということです。考え方は、
で考え、やはりこれの1/2以下で使うようにします。しかし、この全損失は放熱板の有無と、周囲温度で大きく変わるので、グラフで確認して使います。
【3】何VでON/OFFが切り替わるか
デジタル回路のドライバとして使うときには、トランジスタと異なり、電圧だけで負荷の電流をON/OFFできますが、そのON/OFFの境目が何Vかということです。これはゲートしきい値電圧(V)で確認します。
「MOSFETを使ったドライブ回路」について
MOSFETを大電流のドライバとして使うには、NチャネルのパワーMOSFETを使用します。この場合の基本回路は下図（FETドライブ回路）のようにします。PチャネルのFETは図のようにしますが、ドライブ回路ではあまり使われません。
FETドライブ回路
(a)電流を引っ張り込む
(b)電流を流し込む
MOSFET N
MOSFET P
「MOSFETの選定」について
この回路ではFETの選定に注意が必要です。まず、ゲートしきい値電圧で、デジタル回路の出力はHigh(4.5V以上)かLow(0.2V以下)ということになりますから、この範囲に、できれば真中あたりにしきい値電圧があるものが必要です。
最近のパワーMOSFETは、しきい値が2V程度のものが用意されていますので、これらの中から、許容電流を加味して選択します。
「必要な回路素子」について
必要な回路素子はR1の抵抗だけで、この抵抗はデジタル回路がハイインピーダンス状態のときにFETをOFFにするためのものですから、数kΩから20kΩ程度の中から選べばよく、特に計算で求める必要はありません。
パワーMOSFETを使った場合には、ON抵抗は数Ω以下にできますから、負荷にはほぼVccに等しい電圧をロスなく加えることができます。さらにFET自身も熱の発生が少ないため、トランジスタよりも使いやすいといえます。
「注意すること」
パワーMOSFETを使用する際は、以下のことに注意します。
【1】コイルの逆起電圧
モータやリレーなどのコイルをドライブするときは、トランジスタ同様逆起電圧への対策が必要です。下図（コイルの逆電圧対策）と同じ方法で対策します。
【2】高速のドライブにはFETドライバICを使う
モータをパルス幅制御(PWM)にして可変速制御をするときなど、MOSFETを高速でオン/オフ制御する場合に問題になることがあります。
この対策には結構複雑な回路を必要としていたのですが、最近ではFETドライバーICという専用のICが発売されていますので、これを使えば高速のスイッチングをしても効率よくドライブできます。
「FETドライバICとは」
FETドライバーICの内部構成と簡略化した接続例を下図（FETドライバICの内部構成例）に示します。
FETドライバーICの最終段にある2個のトランジスタが、MOSFETのゲートをオンのときもオフのときも強力にドライブして寄生容量による遅れを最小にします。
FETドライバICの内部構成例
実際の使い方ではモータをフルブリッジ構成でドライブしますので、下図（FETドライバICの実際の使用例）のようにハイサイド(電源側)とローサイド(GND側)のMOSFETをペアでドライプできるように、2チャネルの駆動回路を内蔵したFETドライバICを使います。
これで回路を構成すればすっきりした回路で強力なドライブ回路が構成できます。
FETドライバICの実際の使用例(マイクロチップテクノジー社データシートより)
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