電子負荷の試作　IGBT使用で100W

投稿日 2023/06/12

IGBT GT50J121 2個使用の電子負荷
5V 20A 100Wで運転中​

電子負荷はパワエレの実験には必須アイテムです。当局は1000Wの電子負荷を所有しているので、十分事足りていますが、いつ故障するかも知れません。いざというときに困らないよう予備の電子負荷があれば安心です。そんな訳で、まずは手持ちの部品で試作してみることにしました。

今回は在庫のIGBT TOSHIBA GT50J121を使用しました。このIGBTは、240Wのもので、スペックから連続使用の安全領域を見ると1個 50Wほどで使えそうです。IGBTはバイポーラのトランジスタのベースをFETのゲートにした形になっており、ゲートによる電圧制御ですので、トランジスタのべースのように電流は流れず、簡単なドライブ回路で使えそうです。

ヒートシンクにIGBT GT50J121 2個
0.1Ω 10W シャント抵抗
OPアンプはLM358N の定電流回路

回路はオーソドックスなOPアンプを使用した定電流回路です。2個のGT50J121を別々のOPアンプで制御しています。OPアンプには単電源2回路入り8ピンDIPのLM358Nを使用しました。電流の設定はマイコンとDAコンバーターでかっこよく制御したいところですが、今回は10回転のポテンショメーターで済ませました。

IGBT GT50J121 使用 4.2V ～ 50V 100W 電子負荷の回路
それぞれのIGBTを専用のOPアンプで制御

IGBT 2個は大型のヒートシンクに取付け、下からファンで強制空冷しています。電流検出用のシャント抵抗は0.1Ω 10Wを使用し、ヒートシンクに密着させました。100Wの電子負荷は5Vで20A流すので、各シャント抵抗には10A流れます。よってI^2 x R = 10^2 x 0.1 = 10Wですので20Wくらいのもので余裕を持ちたいところですが、在庫が10Wしかありませんでした。(実験では20Aでもヒートシンクへの放熱もあってか、あまり発熱しませんでした。)

​シャント抵抗に発生した電圧をOPアンプのー側に入れます。シャント抵抗に1Aの電流が流れたとき、0.1Vが。最大10Aのとき1Vが発生します。＋側はリファレンス電圧として電源の12Vを100KΩと10KΩ ポテンショメーターで分圧した電圧を入れます。12V / 110KΩ = 0.000109A 約0.0001A 流れるので、10KΩ ポテンショメーターの両端には0Vから約1Vが発生します。つまり各IGBTに流れる電流を10Aまで制御できます。

​シャント抵抗からのフィードバックとポテンショメーターで設定した電圧との演算をOPアンプで行い、両者が等しくなるように電圧を出力します。それをIGBTのゲートに加えます。このゲート電圧(Vge)は5Vから7Vくらいが必要なので、+12Vの単電源OPアンプを使います。今回は在庫のLM358Nを使用しました。

IGBT GT50J121の最大定格
データーシートより抜粋

IGBT GT50J121の特性表
データーシートより抜粋

                   IGBT GT50J121の安全使用領域       　　　                        IGBT GT50J121のVge - Ic特性

今回使用したIGBT GT50J121は、最大定格600V 50Aですが、これは高速にスイッチングした場合の許容値であって、今回の電子負荷のような連続使用での話ではありません。このため連続使用(CONTINUOUS)での安全使用領域(SOA)で使用しなければなりません。上図の赤でプロットした点は50Wで使用する場合です。5V/10A、10V/5A、20V/2.5A、30V/1.67A、40V/125A、50V/1Aの各50Wの点です。一応いずれも連続使用許容領域に入っていますが、これはあくまでも25℃の場合ですので、発熱すれば話は違ってきます。また、同じ50Wでも電圧が高くなるほど余裕がないことが分かります。(実際、電流値は同じでも、電圧が高い方が発熱が多い) 高価なIGBTを昇天させることがないよう十分ディレーティングして使いたいところですが、その辺りはアマチュア的いい加減さが優先です。

バッテリの負荷試験のように電流を流し続けるような場合は、12Vでは4A程度。24Vでは2A程度までと考えた方がよさそうです。また、スイッチング電源などの試験では、発熱の多い高い電圧から先に計測し、徐々に低い電圧に落としていく形の計測がよさそうです。

IGBTは電圧制御素子ですから、上記 Vge - Ic特性のように、ゲートにかける電圧（Vge）でIcを制御します。グラフよりVgeには5V前後の電圧が必要です。赤円内のほんのわずかな領域を使うことになります。下記は5V 10Aまでと、10V 5AまでのVge 実測値です。

​印加電圧5V と10Vの場合のVge
    　 5V　       10V
1A  6,15V    6.05V
2A  6.39V   6.24V
3A  6.57V   6.38V
4A  6.72V   6.48V
5A  6.88V   6.57V
6A  7.04V
7A  7.20V
8A  7.36V
9A  7.54V
10A 7.72V

​このVgeは印加電圧によって、また個体によっても差があります。

​IGBTの場合はMOSFETと同じ電圧制御なので、このような大きなIGBTでもゲートドライブ回路は簡単に済ませられます。電流アンプも必要ありません。電子負荷の場合は高速でスイッチングする訳ではないし、ゲートに電流はほとんど流れ込みません。OPアンプの入力側の10KΩと、出力側に入っている100KΩは、過電圧の保護用です。発振については考慮してませんが、IGBTのゲートの入力容量Ciesは なんと7900pFもありますが、実験では発振等の問題は無いので対策はしていません。電流値調整時の振動も観測されません。

放熱対策は適当です。150 x 125 x 50mmのヒートシンクをファンで強制空冷しています。以下は各電圧/電流でのヒートシンクの温度です。(​あまり正確ではありません。)

​室温　25℃ 各設定で10分間運転後
5V  10A 50W   37℃
5V  20A 100W  40℃
10V 4A 40W    38℃
10V 6A 60W    43℃
20V 4A 80W    52℃
20V 6A 120W   62℃
30V 2A 60W    44℃
30V 4A 120W   64℃ 
40V 2A 80W    53℃
50V 2A 100W   58℃

​この電子負荷はIGBT当たり50Wとし、2個で計100Wとしました。バッテリの放電テストや、スイッチングレギュレーター試験の負荷として実用的と思います。簡単ですのでひとつ作っておいてもよいかと思います。今回はIGBTを使いましたがパワーMOSFETでも作れます。入手性がよく安いパワーMOSFETを使い、同じ回路を多数並列にすればもっと大容量のものが作れます。

電子負荷にはいくつか安全装置が必要です。今回のように手回しのポテンショメーターで電流設定する方法では、うっかり前回の設定のまま(ある程度ポテンショメーターが回った位置で)、いきなり大電流を流してしまう事故が起きそうです。使い終わたら必ず0Aに戻しておくようにします。

​また、今回は最大100W(5V 20A または50V 2A)の電子負荷ですが、50Vを超える電圧を印加したり、20Aを超える電流を流すとIGBTの破壊につながります。このため印加電圧と電流を監視し、電力が最大を超えないようにするリミッターが必要です。

​ヒートシンクの温度も監視して、高温になればシャットダウンするなどの保護機構も必要です。

​バッテリーの放電試験のように、試験を開始したあと長時間放置するようなケースでは、バッテリーの過放電を防ぐため、電圧が設定値まで下がったら、自動的に電流を切る機能が必要です。

​様々な電圧や電流値を順次切り替えて試験するような場合は、パソコン等からリモートで操作できると便利です。

​以上のような機能を実現するにはマイコン制御が必要です。マイコンとADコンバーターで印加電圧と電流値を監視し、DAコンバーターでIGBTを制御すれば解決できます。またGPIB等の通信手段を組み込めばパソコンから制御できます。時間があれば組み込んでみたいと思っています。

​

​(JF1VRR)