Home > 技術情報・コラム > 機構設計者なら知っておきたい! 電子部品の発熱量計算と熱設計の基礎 > 第31回 [LTspice] H型ブリッジ回路 (1)

技術情報・コラム

機構設計者なら知っておきたい! 電子部品の発熱量計算と熱設計の基礎


第31回 [LTspice] H型ブリッジ回路 (1)

 

 今回は、H型ブリッジ回路の動作とパワー素子の発熱量について説明します。

H型ブリッジ回路

 インバータやモーター駆動回路では、電流を交互に切り替えるためにパワー素子とコイルをH形状に配置したH型ブリッジ回路を採用しています。主要な発熱源はH型ブリッジのパワー素子であることから、熱設計に先立ってこれらの素子の動作を解析する必要があります。

 図31.1はパワー素子にトランジスタを用いたH型ブリッジ回路です。トランジスタQ1とQ4がONでQ2とQ3がOFFの状態であれば、コイルL1には図の右向きに電流が流れます。また、Q2とQ3がONでQ1とQ4がOFFの状態であれば、L1には左向きに電流が流れます。以上を交互に繰り返すことで、L1の両端にはNとSの磁界が交互に発生します。

H型ブリッジ回路
図31.1 H型ブリッジ回路

 Q5とQ6はQ1 ~ 4のベース電流を制御するトランジスタで、D1 ~ D4は還流ダイオードです。Q5とQ6のベース電流を駆動する回路は、電流源I1とI2で矩形波を発生させることによって代用しています。なお、図31.1の回路はH型ブリッジに最低限必要となる部分を示したものであり、実際の回路では故障を防止するための保護回路などが付属します。

LTspiceによる確認

 図31.1に示した回路の動作をLTspiceでシミュレートし、パワー素子Q1 ~ Q4の電流と電圧を求め、適合する素子を選定してみましょう。図31.2にトランジスタQ1の電流(緑)と電圧(青)の波形を示します。この図から、Q1のコレクタ電流が最大で-2.2 A、エミッタ・コレクタ間電圧は最大で-25 Vであることがわかります。ここから、電力損失の実効値を求めると、2.0Wとなります。

トランジスタQ1の電流および電圧波形
図31.2 トランジスタQ1の電流および電圧波形(クリックで拡大)

 同様に、図31.3にトランジスタQ3の電流と電圧の波形を示します。この図から、Q3の電流は最大で2.2 A、エミッタ・コレクタ電圧は最大で25 Vであることがわかり、電力損失の実効値を求めると0.23 Wとなります。ディレーティングとして、電流と電圧は80 %以下、電力は50 %以下とすると、ディレーティングを考慮した最大値は表31.1に示す「動作から解析」列に示した値となります。これを満足するのが、「最大定格」列に記載された値の素子となります。なお、Q1とQ2、Q3とQ4はそれぞれ対称であることから同じ値となります。

トランジスタQ3の電流および電圧波形
図31.3 トランジスタQ3の電流および電圧波形(クリックで拡大)

表31.1 Q1 ~ Q4の選定結果
  Q1, Q2 Q3, Q4
動作から解析 最大定格 動作から解析 最大定格
VCEO-25/0.8 =-31 V-50 V25/0.8 = 31 V50 V
ICP-2.2/0.8 =-2.8 A-6 A2.2/0.8 = 2.8 A6 A
PD
(ケース25℃)
-2.0/0.5 =-4 W10 W0.23/0.5 = 0.5 W10 W
Tj-150 ℃-150 ℃
 
手計算による確認

 手計算で簡単にQ1 ~ Q4の熱抵抗を求めてみます。表31.1の損失最大定格10 Wはケース温度が25 ℃の場合の値であり、ジャンクション温度の最大定格は150 ℃であることから、ジャンクション・ケース間の熱抵抗は式(31.1)のようになります。

 式(31.1)
 

 一方で、損失が2 Wの場合にジャンクション温度が最大定格の80 %となるようなケース温度を求めると

 式(31.2)
 

となり、ケース温度が95 ℃以下であれば良いことがわかります。さらに、雰囲気温度を40 ℃として、ケース温度が95 ℃となるようなケース・雰囲気間熱抵抗を求めると

 式(31.3)
 

となり、熱抵抗が27.5 ℃/W以下のヒートシンクを使うと良さそうなことがわかります。その他の素子も含めた発熱量をLTSpiceで計算した結果と部品サイズを表31.2に示します。

表31.2 素子の発熱量と寸法
素子 発熱量 横 × 縦 × 高さ
Q1, Q22.0 W6 mm × 6 mm × 2.4 mm
Q3, Q40.23 W6 mm × 6 mm × 2.4 mm
Q5, Q61.4 mW3 mm × 1.4 mm × 1 mm
D1, D2, D3, D42.0 mW1.3 mm × 1.9 mm × 0.6 mm
R1, R20.24 W5 mm × 2.5 mm × 2.5 mm

 次回は基板専用熱解析ツール PICLS を用いて、より詳細な検討を行います。

 

チーム写真
著者プロフィール
CrEAM(Cradle Engineers for Accelerating Manufacturing)

電子機器の熱問題をなくすために結成された3ピースユニット。
熱流体解析コンサルタントエンジニアとしての業務経験を生かし、
「熱設計・熱解析をもっと身近なものに。」を目標に活動中。

-- 最後までお読みいただきありがとうございます。ご意見、ご要望などございましたら、下記にご入力ください --



※お問い合わせの際には、ご所属、ご氏名など、個人情報を正しくご記入ください。
 ハンドルネーム等、匿名および連絡先が不明の電子メールは回答いたしかねる場合がございますのでご了承ください。

※お客様の個人情報の取り扱いにつきましては、弊社個人情報保護方針をお読みになり同意の上お進みください。

※お問い合わせの内容によっては(例:宣伝・勧誘・売込み等)、ご返信を差し上げられない場合がございます。
 また、内容によっては回答までに数日かかる場合がございます。

※当社からお答えした内容は、問い合わせ頂いた法人と個人の方へお答えした内容につき、
 その全部または一部を他の方へ開示する行為は堅くお断りしております。

バックナンバー

基板専用リアルタイム熱解析ツール PICLS

TOP