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サンプルプログラム

tim3_pwm_h_bridge_100hz

　本文の回路ではくどいようにプルアップ、プルダウンをしていますが、マイコンから常に理論的に正しい信号が送られているということであれば、プルアップ、プルダウンは必要ありません。しかしそのような仮定をするのは非常に危険です。

　FETの場合、ゲートをプルアップもプルダウンもしていない場合には、「たぶんオフになるがオンにならない保証は無い」のです。プログラムは人間が作るのものですから常に間違いが潜んでいる可能性があります。またマイコン側には通電せずに駆動回路側だけに通電するというケースもあり得ます。マイコンと駆動回路の接続を忘れていたり、何かの拍子に配線が外れてしまったりすることもあり得るでしょう。STM32はリセット直後はGPIOがアナログ入力になっていて、Hレベル、Lレベルどちらにもなりません。またプログラムの書き込み中はずっとアナログ入力状態になっているはずです。

　Hブリッジの場合、ハイサイドのFETとローサイドのFETの両方がオンになると回路がショートします。高電圧や高出力の電源(充電電池や安定化電源等)を使用していると、FETがすぐに焼けてしまい、発火の可能性があります。実験中に火災というのはよくある話です。かくいう筆者も何本かFETを焦がし、やけどをしかけました。趣味の工作であれば顧客に対する責任はありませんが、火事の責任は負わないといけません。

　パワー回路に限ったことではありませんが、設計の際には常に安全側にものを考える必要があります。Hブリッジであれば、駆動回路に電源をつないだだけでは、どのFETもオンにはならないという状態となるように設計しなければいけません。

　バイポーラトランジスタでNPNトランジスタが使用されることが多いですが、FETでもN型が使用されることが多いです。FETはゲートの部分で電流を運ぶ誘導路(チャネル)が形成されることによりドレインとソースとの間で電流が流れることになります。ゲートに電圧を加えると、N型は自由電子が、P型は正孔(ホール)がゲートに集まってチャネルを形成します。正孔よりも自由電子の方が動きが素早いので、ゲートに電圧を加えたときには、N型の方が早くチャネルが形成されます。そのため半導体そのものの電子的な性質から、N型の方がP型よりも高性能なFETが作りやすいのです。市販されているFETの場合であれば、動作時間や価格に影響が出ます。同価格であればP型よりもN型の方が高速なことが多く、速度が同じであればP型よりもN型の方が安価です。また最大定格(電圧や電流)のレンジも、N型の方が広く、N型の方が高電圧・高電流に耐えるものが多いです。ただ最近は半導体の製造技術の進歩により、高性能且つ安価なP型FETも出現してきており、差はだんだんと縮まって来ています。

　たとえば秋月電子で販売されている2SJ/2SK品番のパワーMOSFETの中堅品の場合、表 8?24の2製品が似通った性能ですが、価格は1.5倍の開きがあります。また販売されている2SJ品番のP型で一番定格電流が大きいものは、2SJ554(60V/45A \300-)ですが、2SK品番のN型で一番定格電流が大きいものは2SK3162(60V75A \300-)です。同じ価格でも1.5倍程度の能力差がありますね。

表 8?24 入手しやすいパワーMOS-FET

　後述の高性能なFETを多く発売しているIRFのFETも似たような状況です(表 8?25)。P型のIRF4905とN型のIRF1010(写真 8?38)では、IRF1010の方が一回り性能が優秀ですが、値段は二回り程安いです。同価格であるP型のIRF4905とN型のIRL2505では、上昇時間を除けば、IRL2505の方が二回りほど高性能です。

表 8?25 IRFのパワーMOS-FET

　このようにN型FETとP型FETでは性能と価格に差があります。ただ劇的という程でもないため、状況に応じて使い分けることが必要になります。

写真 8?38 IRF1010

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