トランスの弱点のはなし

トランスの弱点のはなしとは

最近ポータブルミキサのジャンクを入手したので、修理をしながら感じた点があったので書いてみます。
　ローコスト化した業務用ポータブルミキサですが、１枚基板になってオペアンプもSMD型にして、初段の J-FETペアによるローノイズ化は見送られた様でしたが、ローカットフィルターや 3CH入力、テストトーン・アナログ VUメーターなど基本的にはプロ仕様です。しかも内蔵バッテリーは 単３ x ４本の6Vで動作するので、ちょっとビックリでした。　
　そしてトラブっていたのは、L-CH出ずの症状で出力用のトランス(右写真）の、向かって右上の２本の線が端子の巻き付ける所で切れていました。
　左上側の２本を見ても判るように、引出線がかなりピンと張っているのが判ります。
　実はこのシリーズの上級機種では、トランスはもうちょっと大きいので、がっちりした鉄バンドで基板に取り付けられているのですが、この機種ではこれら８本のピンで支持されているだけです。
　ポータブル用途なので､落としたときなどこの足の部分にトランスの荷重がかかり、右上のピンの根元で断線してしまったのと思われます。（写真は撚り線でリペアした後です）　３台修理して２台が同じ位置のトランスの同じ巻き線でしたので、同様の事故が多いかと思われました。 

　かつてトランスは重くてやっかいなモノでしたが､最近はスイッチング電源などの普及で軽いものになりました。昔、輸出用のオーディオセットでは落下試験があり、トランスがビスごと外れたり、鉄バンドが切れてしまったりして、別の補助バンドで⒉重に取り付けるなどの対策をしたのを覚えています。
　かなりコストダウンした機種ですので、バンドをするとまた基板のコストや半田付けの手間などなかなかコストがかかりますが、トランスのピンへの線の引き回しなどを工夫すれば、バンド無しでも大丈夫だったかも知れませんね。
　

NCH FETでのハイサイドドライブのはなし

NCH FETでのハイサイドドライブのはなしとは

　前回FETのドライブについて書きましたが、今回は N-CH FETでのハイサイドドライブについて具体的に書いてみます。
この場合気をつける点は、
1) 　出力したい電圧よりもドライブする FET のゲート ON電圧以上高い電圧をゲートにかける必要があること。

2) ゲートドライブなので、10V 100mA 程度の電源でよいので、絶縁型の DC/DCコンバーターでも使える。
　実際の回路は
　右が実際の回路です。
一番上は DC/DCコンバーターで 50V電源に 12Vをかさ上げして、62Vとした場合です
　ここで、問題はゲート制御ですが、トランジスタ2石でスイッチとしました。ともにこの場合Vceo 耐圧が62V以上必要です。
　さらに注意しなければならないのが、ゲート電圧の耐圧です。普通の FET は±20V程度なので低い電源電圧ならば良いですが、この場合、OFFから ONさせるときに +62Vがゲートソース間にかかります。これを防止するためにゲートソースにツェナーダイオードを入れます。
　2番目はトランジスタスイッチでなく MOS-Switchを使った場合です。 PhotoMOSSWならば絶縁できますので、12V電源のGND側をソースにつけて、ゲートに +12Vをかけます。この場合はゲート電圧は耐圧範囲内ですが、ドレインが高い電圧の場合、ドレインｰゲート容量によっては OFF時などにノイズが回り込む可能性がありますので、安心のために付けています。
　最後はプッシュプル動作の PhotoSwitch を使った例です。
この場合は OFF時にも高速でゲートを遮断できますので、高速スイッチング動作に有効です。
簡単な場合は
簡単に単純に ON/OFF出来ればいいと言う場合は、中央の回路で MOS-SWの部分をジャンパして、制御は DC/DCコンバーターの電源を ON/OFFするという方法です。
車の24V電源やインバータへの電源を ON/OFFしたい場合などは、そのような回路で十分かも知れません。

FETのゲートドライブを考える

FETのドライブを考えるとは

　最近、SiC(シリコンカーバイト)とかGaN(ガリウムナイトライド)など、スイッチング分野にも高速のFETが使われるようになってきましたが、多くは N-CH のFETです。
　しかし昔のオーデイオパワーアンプなどは「コンプリメンタリFET出力」などといって、P-CHと N-CHのプッシュプル構成が一般的でした。
　今回は、P-CHと N-CHのFETのゲートバイス電圧について考えて見ます。
　

　出力に使う場合、プッシュプル構成でもシングルでも、電源のどちら側をスイッチングするかで、ハイサイドとローサイドが区別されますので、まず、P-CHの　場合で考えます。
　P-CH ハイサイド
ソースを電源（右図では +15V)に接続し、ドレインから出力します。P-CHではゲート電圧はソースよりも Vgsだけ低い電圧を加えてONしますので、Vgsを5Vとするとこの回路では GND側に15Vより 5V低い 10V程度かければドレインにほぼ電源電圧に近い電圧が出力出来ます。
　P-CH ローサイド
ドレインをGNDに接続し、ソースから出力します。P-CHではゲート電圧はソースよりも Vgsだけ低い電圧を加えてONしますのでゲートには通常 0Vまでしか設定できないので、ソースはそれより高い 5Vまでしか出力出来ません。もちろんマイナス電圧を使えば 0Vまで出力出来ます。
次にN-CHです。

　N-CH ローサイド
ソースをGNDに接続し、ドレインから出力します。N-CHではゲート電圧はソースよりも Vgsだけ高い電圧を加えてONしますので、Vgsは通常 5V程度の電圧でONし0V出力出来ます。
　N-CH ハイサイド
ドレインを電源（右図では +15V)に接続し、ソースから出力します。N-CHではゲート電圧はソースよりも Vgsだけ高い電圧を加えてONしますので、電源を15Vとするとこの回路ではVgは15Vまでなのでソース出力電圧は 10Vまでとなります。もちろんゲート電圧を15Vより高い 20V程度までかければソースに電源いっぱいの15Vを出力出来ます。
　どのように組み合わせるか
　昔のオーデイオアンプのようにコンプリメンタリーでソース出力を使う場合、ハイサイドにN-CHをローサイドに P-CHを使って構成するのですが、Vgsの制限から電源よりも上下 Vgs分程度出力電圧がすくなくなります。それで、昔のパワーアンプはドライブする段は別電源で、それぞれ最終段電圧よりも５V〜10V高い電圧を用意していました。
　しかしながら、現在のインバーターなど効率を追究する機器では、逆にハイサイドを P-CH ,ローサイドを N-CHとしてドライブの簡素化を行っています。
　P-CHは遅いので
　また、高耐圧で大電流の P-CH FETは種類も少なく、スイッチング速度も遅いので、最近はハイサイドも N-CH FETを使っています。その場合の問題は電源電圧より高いドライブ電圧をどうするかです。
1) ドライブ用のICに昇圧回路が入っていて高い電圧を作っておける。

2) ブートストラップ回路と言って、ソース出力とドライブ電源の間に比較的大きなコンデンサーを入れ、出力電圧(ソース)を高くする時にはこのコンデンサーがソースよりも高い電圧を保持してゲートを ON出来る回路。
などの工夫でドライブしています。

　もうちょっと工夫して
　今回私の開発した SiC-FETスイッチング回路では個別の 小型絶縁型DC/DCコンバーターを搭載して、ハイサイドのドライブで、この問題をクリアしました。この方法のメリットとして、マイナスバイアスも生成できる点で、スピードアップのため、OFF時のゲート電荷を消す際にも有効な手段です。