MOSFETの寄生発振条件

MOSFETの寄生発振条件をまとめておきます。

こちらのアプリケーションノートが参考になります。

パワーMOSFET 寄生発振、振動

例として次の2つのMOSFETを取り上げます。

IRF200B211

IRFP250N

まず、アプリケーションノートの図2.21を引用しておきます。

寄生発振等価回路

アプリケーションノートの式(12)が発振条件で、

gm >= (Cgs/Cds)/R3

となって、R3(ドレイン・ソース間等価抵抗)はRg(ゲート抵抗)に反比例となっています。

具体的な数値例を挙げておきます。

IRF200B21: gfs=13S, Ciss=790pF, Coss=62pF, Crss=21pF

gm=gfs=13, Cgs/Cds=(Ciss-Crss)/(Coss-Crss)=(790-62)/(62-21)=18.8

IRFP250N: gfs=17S, Ciss=2159p, Coss=315p, Crss=83p,

gm=17, Cgs/Cds=(2159-83)/(315-83)=8.95

となって、仮にR3=1Ωとした場合、IRF200B21は発振条件を満たしませんが、IRFP250Nは発振条件を満たすことがわかります。

実際のD級アンプの設計では、ゲート抵抗の値とデッドタイムは出力LPFのインダクタに依存するため、発振しない十分大きなゲート抵抗値でデッドタイムを決定する形になります。

D級アンプの出力段:スイッチングノードとLPF

D級アンプの出力段は、通常、

MOSFET、コイル、コンデンサで構成されます。

 

特に重要なのが、

スイッチングノードとLPFの構成です。

まず、スイッチング素子としてはMOSFETを通常、用いますが、

どのような特性を重視すべきでしょうか?

 

結論としては、ゲート電荷(Qg)と出力容量(Coss)になります。

オーディオ用途としては、D級アンプの効率は十分高いため、

オン抵抗はそれほど問題になりません。

音質(サンプリング精度)に直接、影響する、

高速なスイッチングのためには、

ゲート電荷と出力容量が小さい方が有利です。

 

また、電源のバイパスコンデンサには、

大容量で低ESRのスイッチング用途の

電解コンデンサが通常、用いられます。

 

LPFのコイルとコンデンサは、

スピーカーを駆動するために、

電流定格が十分大きなものが必要になります。

D級パワーアンプの実態としては、

1MHz程度のサンプリング周波数により

オーディオ信号でPWM変調する

スイッチング電源に、

スピーカーケーブルがアンテナになって妨害電波をまき散らしたり、

搬送波などの高調波でツイーターを飛ばさないように、

EMI対策として

スピーカー駆動用のLPFがついた

構成になります。

 

ヘッドホン用のソリューションなどには、

LPFのない構成もありますが、

専用のコントローラICが必要になります。

 

出力容量と帰還容量による貫通電流とその対策

矩形波応答の出力電圧が20V(電源レールが+-45Vなので、

45Vを中心にVdsは振れている)を越えたあたりから、

特に下側のMOSFETのターンオフ時に大きな貫通電流が現れます。

いろいろ調べていくと、どうやらGaN MOSFETの

ドレインソース間容量(Cds=C0ss-Crss, tfに関連)とゲートドレイン間容量(Cgd=Crss, td(off)に関連)が、

ドレインソース間電圧(Vds)20Vから0Vにかけて急激に増大する特性に起因しているようです。

TPH3205WSBQAとFQH44N10の容量特性を引用します。

この貫通電流はものすごいノイズやMOSFETおよびスピーカーの破壊の原因となるため、

対策が必要です。

 

しかしながら、入力段のゲインを26dBから20dBに下げて、

1.5Vの入力信号時に出力電圧が20Vにすることで対処するのが現実的なようです。

 

副次的に周波数特性が90kHzまで伸びますが、

出力は8Ω, 50Wとなります。