クールMOSFETアンプの設計

試作を経て問題点や改善点がいろいろ明らかになったのと同時に
設計コンセプトも変化してきました。

便宜上、今追求している、理想ダイオード正負電源と

サスペンデッド電源によるMOSFETアンプを

クールMOSFETアンプと呼ぶことにします。

 

ドライバ段と出力段の組み合わせでSiCやUHCにも出来ますが、
そこは本質ではないことに気が付きました。

半導体アンプである以上、温度特性と放熱が常に問題になります。
純A級アンプが一番わかりやすいと思います。

一方で、D級アンプが電力効率としては一番良いですが、
スイッチングノイズとキャリアのフィルタリングの問題が避けられません。

クールアンプの設計コンセプトはオペアンプで信号処理を完結して、
電力は出来るだけ熱に変えずにスピーカーに送り込むことにあります。

結果的に温度特性のよい領域と電源電圧を効率よく使えることになります。

放熱と電流(ドレインとソースのパターン幅)を大きくしようとすると、
TO-220パッケージのMOSFETよりも
TO-247パッケージのMOSFETが有利になります。

なので、次はTO-247パッケージによる設計および試作を検討しています。

LT1166でバイアス調整を自動化して温度補償をなくすために、
電流検出抵抗が0.22Ω必要なので、
UHCにこだわってもここがボトルネックになります。

また、SiCは準コンプリメンタリにするためドライブ段が必要になり、
回路規模とBJTの放熱がボトルネックになります。

なので、出力段用MOSFETは、

純コンプリメンタリのTO-247でオーディオアンプの作例が多い、
IRFP240, IRFP9240をターゲットにします。

irfp240irfp9240

また、理想ダイオード正負電源の整流用MOSFETはIRFP7530をターゲットにします。

irfp7530

ケースはこんな感じ。

hyr88-43-23-amp2

LT1166パワー出力段自動バイアスシステムによる100Wオーディオパワーアンプの試作

SiC MOSFETアンプ、UHC MOSFETアンプときて、
結局、純コンプリメンタリのMOSFETアンプに回帰しました。

LT1166のデータシートに出ている回路が基本ですが、
実際に動作させるのは、なかななか手強いです。(笑)

まず、出力ABバイアス電流の設定ですが、
電流検出抵抗の値は実質的に0.22Ω
(バイアス電流20mV/0.22Ω=90.1mA)で固定です。
でも実際には、この値から自動で調整されます。

なので、何も考えずに
これを0.1Ωにするとバイアスがかかりすぎてしまいます。
シミュレーションでは動いてしまいますが、
MOSFETアンプの場合、通常150mA程度までです。

しかもデフォルトのトポロジーだと電流制限と兼用になっているので、
話がわかりにくいのですが、
例えば4Ωのスピーカー用に電流制限を2倍にしたい場合は、
0.1Ωの抵抗を2つずつ、4つを組み合わせて
タッピングする必要があるようです。

次に、シャントレギュレーターのドライブですが、
オペアンプの電源リードを電流源出力とするV/I変換にするための
電流検出抵抗に150Ωを設定しました。
問題はレーティングです。
シミュレーション上は1/4Wでもいけそうなのですが、
MOSFETが故障したり、
バイアス電流検出抵抗の接続が切れたりすると
かなりの電流が流れます。
また、現実の動作状態ではハイサイド、
ローサイドのバイアスを調整する際にもかなり大きな電流が流れるようです。
なので、最低でも3W(燃えませんが、煙は出ます),
出来れば5Wが安全です。

さらに、電源の接続を間違えて、MOSFETが故障した場合などで、

ゲートから電流が漏れたりすると、

Vtop、Vbottomの510Ωの抵抗も電流の通り道になるので、

焼損します。

なので、1W以上が安全です。

LT1166, IRF530, IRF9530, 150Ω, 510Ωを

実際に飛ばして得たノウハウなので、参考にして下さい。

 

最後に、出力のアイソレーターの1uHのインダクタですが、

TDK TSL0709,

Murata Power Solutions 15102C

を試しましたが、

いずれも音量を上げると音がひずんでしまいます。

実用的には空芯コイルでないと厳しいようです。

ポリウレタン線を自分で巻くのは面倒なので、

手持ちのジャンクアンプ基板から部品を調達しました。

300VAトロイダルトランスの突入電流対策と理想ダイオード正負電源の試作

300VA 一次側115V 二次側35Vのトロイダルトランス

(Nuvotem 91253-P2S2)の二次側の突入電流は,

シミュレーションしてみると65Aのピークが最初にやってきます。
なるほど、理想ダイオード電源の基板が燃えるわけです。

inrushcurrent

いろいろ検討した結果、今回は突入電流対策として、NTCを使いました。

NTC thermistors for
inrush current limiting
Leaded and coated disks, P27 series

ICL
EPCOS
B57127P0509M301

5Ω, 20A, 10Wで冷却時定数が200sですが、
正負ともに整流用電解コンデンサ30,000uF、
ブリーダー抵抗が4.7kΩでこちらの方が時定数が長いので、
問題ないようです。

これを2個直列に一次側に取り付けたら、
15Aのヒューズで問題なく動作するようになりました。

シミュレーションでも一次側のピークが20Aから5A、
二次側のピークが65Aから17Aに下がります。

幸い、理想ダイオード電源基板の焼損自体は局所的だったので、
ポリウレタン線でバイパスしたら動作しました。

アンプの電源投入時にも
ブラウン管テレビの電源投入時のような、
突入電流のうなり(100Hzの指数関数的減衰波形)が聞こえます。

また、理想ダイオード正負電源は直流側で+-45Vが得られています。
もたもた測定していたら、テスター棒にバチッと落雷してびびりましたが。(笑)

通常のダイオードブリッジによる整流だと+-42Vなので、
この差はゲートスレッショルド電圧が
4V程度必要なMOSFETアンプには好都合です。

整流用のMOSFETの発熱もほとんどありません。
もはやトランスの方が温かいくらいです。