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2013年05月の記事

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2013年5月31日(金) 22:02

IGBTはFETではない

 ハイサイドIGBTを短絡ピンに置換し、ローサイドだけで犯人探しやってみる。
 まず、実測されたコンデンサー放電波形やコイルの実測インダクタンスを元に、シミュレーションのパラメーターを調整。コイルの直流抵抗は0.67Ωぐらい。
 緑がコンデンサー電圧、青がコイル電流。

 シミュレーション結果を、オシロの実測と重ねてみる。重要なのは、コンデンサー放電の「途中」でコイル電流はピークを迎える点。ローサイドIGBTのコレクター電位(黄)が謎の盛り上がりを見せているのは、電流のピーク付近ではないか?
 IGBTがオンになると、正常な場合のコレクター電位は2Vぐらい。だが耐電流をオーバーすると、コレクター電位が上昇する。回路の欠陥ではなく、単純に過電流で謎パターンが現れたのではないか?
 330V放電のピーク電流は、シミュレーションだと270Aを超える。しかし250V放電だと210A程度。謎パターンは210A以下では出現していない、という部分でも現実に合致する。

 だが、使用しているIGBTの耐電流は200Aである。それを4並列しているのだから、負荷バランスが少々崩れていても210Aまでしか耐えられないのはおかしい。確かにIGBTの配線4系統は対称ではないが、それにしても理想800A耐電流が210Aに落ちるほど酷い配線とは思えない。
 過電流が犯人だと分かり易いが、幾ら何でも計算が合わな過ぎる。

 今度はローサイドIGBTを詳細にチェック。黄色はPICによるゲート操作電位で、青がローサイドIGBTのコレクター電位。120〜130Vからの放電では、想定通りのパターンが計測された。しかし若干おかしい。無負荷で計測した時は、ゲート操作電位の立ち上がりこそ角が丸くなっていたが、テーブル部分は綺麗に5V水平になっていた。それが、凹んでいる。

 330V放電では、一発でローサイドIGBTが破壊された。ゲート操作電位は急激に落ち込み、4Vあたりに下がっている。遂に犯人をまた1人捕まえた。
 IGBTのゲート電位が下がると、飽和電圧が大きくなり耐電流は小さくなる。ターンオン期間中に、想定外にゲート操作電位が下がったため、電流に耐えられず破壊されたのだ。

 以前のコイルガンでも、ゲート操作電位の低下で破壊されたことがある。当時はハイサイドのドライブ電源として、コンデンサーに蓄電していた。その容量が不足し、やはりターンオン期間中に電位低下を起こした。
 今回は別電源を用意しているが、ゲートの消費電荷が想定外に大きかったようだ。

 IGBTはFETと似たような使い方が出来るため、ついFETの仲間としてイメージしてしまう。しかし、ON抵抗が定義できず飽和電圧での表現となるなど、トランジスターの仲間に近いかもしれない。
 FETはゲートをONにすれば、ゲートに電荷を更に投入しなくてもONのままである。これに対しトランジスターは、電流を流し続けないとONが継続しない。
 IGBTのゲートもON期間中ずっと電荷を喰らい続け、しかもコレクター電流が大きいほど大喰らいになっているようだ。
 コイルガン領域の高電圧・大電流において、IGBTに匹敵する性能のFETが登場すれば、さっさとFETに乗り換えたい。だが、現状ではIGBTが性能で完全にリードしているから、放電回路を頑張ってIGBTを適切にドライブせねばならない。

 「ストロボ用」を謳うFETが登場するかどうか?がポイント。

written by higashino [コイルガン戦車S] [この記事のURL] [コメントを書く] [コメント(0)] [TB(0)]

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2013年5月30日(木) 21:30

通電しない

 IGBTを新品に交換し、放電回路を動作させる。ところが、メインコンデンサーの電荷が抜けない。放電されない。何度トリガーを押しても、コイルに通電しない。
 放電制御PICからのゲート操作信号をオシロで確認すると、ローサイド(青)は正常だがハイサイド(黄)が4Vまでしか振れていない。フォトカプラの負荷がかなりあるので、それほど不自然ではないが・・・

 フォトカプラとの接続を切ると、キッチリ5Vまで振れている。PIC基板の側は正常だ。

 ハイサイドだけをオシロで確認。PICからのゲート操作信号(黄)はフォトカプラに入り、間接的にIGBTに働きかける。IGBTゲートドライブ(青)は、問題なく5Vまで振れている。ON期間も525μ秒の正常運転。
 ところが、ここまで想定通りの挙動を示しているのにハイサイドIGBTがONにならない。IGBTを交換しても駄目。

■■■ ターンオフ可能なコイルガン駆動回路は、開発の難易度が高過ぎる。■■■

 ハイサイドIGBTの代わりに短絡ピンを挿し、ローサイドIGBTだけで放電が行なわれるようにしてみる。壊れないよう、メインコンデンサーをフル充電せずに試す。
 PIC基板からトリガー信号を送ると、当たり前に放電された。ローサイドはIGBTが壊れたものの、放電回路は動作している。一方でハイサイドは、IGBTが壊れなかったのに放電回路が壊れているように見える。

 問題ありまくりだ。

 事態が複雑過ぎて、解決の手がかりがない。
 まずはハイサイド短絡のまま、ローサイド側の犯人を捜すのが早そうだ。というのも、破壊された時の状況は、ハイサイド短絡でも再現できる可能性がある。
 ハイサイド短絡にすると、初期状態でローサイドIGBTのコレクター電位が高くなるから、完全に同一の状況にはならない。だから100%とは言えないが、再現されればおいしい。ハイサイド放電回路を除外した状態で、犯人探しできる。

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2013年5月29日(水) 21:33

謎パターン

 さあ、いよいよ放電回路が破壊される可能性が高い、330V動作を試す。
 250V放電までと同様のパターンが出現した。この波形だと、IGBTは破壊されていないはずだ。念のためIGBTユニットを取り外し、テスターで確認。ローサイドもハイサイドも健在だった。
 問題は、250Vまでと明白に異なる部分。IGBTのターンオン期間中は、コレクター電位は0に張り付くはずである。ところが、途中で謎の電位上昇が生じている。この現象は、150Vや250Vでは出現しなかった。時間軸を拡大してチェックすると、dV/dt
は見た目ほど大きくない。

 ターンオフ時の乱れは相変わらず存在するが、これが原因でIGBTが破壊されるとは思えないレベルに引き続き留まっている。

 1回目の330V放電は、いちおう無事に完了した。そこでオシロで観察しつつ、更に放電を繰り返す。
 7回目の放電を行なったとたん、波形が変化した。ローサイドのコレクター電位が0のまま戻らない。これは、IGBTが破壊された時のパターンだ。

 IGBTユニットを外し、テスターの出番。思った通り、ローサイドだけが破壊されていた。ゲートは短絡していない。ハイサイドのIGBTユニットは、無事。
 遂に、破壊時の波形を記録できた。過去に何度もIGBT破壊時の波形を記録できているが、明白に別である。過去の破壊はターンオフ時に生じており、ターンオフの途中で急変していた。ところが、今回の破壊はターンオフまで辿り着いていない。となると、ターンオン期間の途中に出てくる謎のパターンが怪しい。

 1回目のパターンと比較すると、破壊時は謎パターンの終了が急である。
 謎パターンでIGBTに負荷が加わり、1回目はそれに耐えたが破壊時は耐えられなかったのだろう。
 要するに次の課題は、謎パターンの発生原因を突き止めることだ。

 回生回路のラスボスはI2t だと思っていたが、その奥に更なるボスが潜んでいやがった。

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2013年5月28日(火) 21:39

回生動作を確認

 メインコンデンサーやコイルと接続。PIC基板とも接続。完全に、通常の射撃が可能な状態に整備。
 ただし、パチンコ玉は装填しない。

 オシロは、各IGBTユニtットのハイサイドを測定。基準はGNDで統一。

 ハイサイド側IGBTは、結果としてメインコンデンサーの電圧を測定することになる。

 これで放電すると、一発でIGBTが壊れる可能性がある。そこで間際に思い付いて、コンデンサー充電器の停止電圧を150Vに落とした。
 PICのプログラムを書き換えるだけで良いため、コイルの巻き直しやるより簡単だ。

 結果は、さすがに150VだとIGBTも壊れず、想定通りの計測結果が得られた。サージが2回見えているが、最初がローサイドIGBTのターンオフ。30μ秒ほど遅れてハイサイドIGBTのターンオフ。両者のズレがある30μ秒間ほどは、回生ではなくフライホイールになっているため、コンデンサー電圧は横ばい。両IGBTがターンオフ済みになると回生され、コンデンサー電圧が上昇する。
 ローサイド電位が最後に落ち込んでいるのは、回生が終了したから。IGBTが破壊された場合は、GNDまで落ちる。

 ターンオフ時のオーバーシュートは最初期の測定でも見られた。スナバ回路の副作用かもしれない。
 続いて、コンデンサー充電電圧を250Vに設定し直して測定。電圧の絶対値が異なるだけで、同様の変動パターンが測定された。

 スナバ回路による?バタつきも激化しているが、これで壊れるとは思えない。

 ここまでは問題なし。念のためローサイドもハイサイドもIGBTユニットを取り外し、テスターで確認。どちらも、壊れていない。

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2013年5月27日(月) 21:38

捕らぬ狸

 一晩寝かせて、改めて関連装置の電源を入れ直し、オシロで波形測定。
 そう考えたが、ラジコンバッテリーを実験システムに接続したまま取り外し忘れていた。待機電流が多めだったか、すっかり放電済みで使えない。
 ニッケル水素タイプだから助かったが、リチウムイオンならバッテリーは即死してる。

 さっそく充電を開始したところ、数分でバグった。
 室温は25度ぐらいだし空気は爽やか。本日最初の充電作業だから過熱もしていない。いきなりこれは、どういうことだ?
 幸いにして再スタートすると最後まですんなり充電できた。旧機種はちょっと充電電流を増やすとすぐにエラーを発生させてたし、ラジコン充電器は気難しい。自作するよりかなり安いから、仕方ないけど。

 充電が完了してもバッテリーはかなり暖かい。冷却時間を置かないと、バッテリーに悪い。過放電だって良くはないが・・・
 1時間ほど放置し、実験装置に接続。昨日と同じく、ローサイドのゲートドライブ波形を見る。幸か不幸か正常で、不良動作が再現しない。

 ここに至ると、危険を冒しても放電試験を行なうしかない。

 コイルを巻き直す。燃えたエナメル線を外した後に、うっかり力を加えてしまいコイル巻き部分の長さが変わってしまった。5ミリアルミ角棒突っ込んで間合いを修正し、例によって80回巻き。
 インダクタンス実測値は若干小さくなったが、充分に想定内。

 このコイルを放電回路に取り付け、メインコンデンサーも330V400μFに戻す。そして放電する訳だが、オシロをどこにセットするのが良いか?
 オシロは2チャンネルしかない上に、その2チャンネルがGNDを共有せねばならないという極めて使い勝手の悪い仕様である。だから、取り付け位置には著しい制約がある。

 一方で、過去に何度もIGBTを破壊した実績があるから、最初の放電実験で即座にどこか壊れてもおかしくない。その放電で意味のある情報を取得できないと、回路は犬死にだ。

written by higashino [コイルガン戦車S] [この記事のURL] [コメントを書く] [コメント(0)] [TB(0)]

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