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。

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。

図31.2　トランジスタQ1の電流および電圧波形

　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。

図31.3　トランジスタQ3の電流および電圧波形

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。

(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

(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

(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。

　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。

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。

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