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SiC-SBDとSiC-MOSFETで5v安定化電源

概要

SiC-SBDとSiC-MOSFETで5vのフィードバック型安定化電源を作ります。
一応、オーディオ向け電源ということになります。
NanoPi-NEOとMPDとLCDとI2S-DACとTDA7297で音楽再生サーバ(完全体)とかの電源として利用可能です。

それぞれの特徴

SiC-SBD

  • 逆回復時間(Revere recovery time)が短い(音に効く)
  • 順方向電圧(Vf)は大きめ(電圧ドロップが大きい)
  • ピーク順方向サージ電流は小さめ(トランス強力でコンデンサ容量多くすると、爆発したりする)
  • 値段が高い (普通の整流用ダイオードは5円とかだけど、これは240円~)

参考:
http://micro.rohm.com/jp/techweb/knowledge/sic/s-sic/03-s-sic/4656

代表例:
Infineon IDH04G65C6 (第6世代)
Infineon IDH03G65C5 (第5世代)
Rohm SCS106AGC

SiC-MOSFET

  • 入力容量Cissが小さく高速動作可能(音に効く)
  • Vgs がかなり高い
  • Vds もちょっと高い
  • 値段が高い (普通のFETは30円~とかだけど、これは800円~)

代表例:
Cree C3M0280090D
Rohm SCT2450KE

※MOSFETの最新素材として、GaNもあります。

実装

回路図

SiC-MOSFETのVgsが高めなので、倍電圧回路組んで駆動用に回します。

20180224_175906.PNG

BOM (Bill Of Material)

一例です。
出力電圧調整は、特性のバラつきを利用して、J1とD1を目標電圧に近くなるように選別し調整することになります。
J1=2SK369vの場合、D1は、4.2vや4.1vのほうが良いかもしれません。

Symbol Description パーツ型番例 値段
D1 ツェナーダイオード 4.3v Vishay TZX4V3C-TR ¥4.19 x1
D2,D3,D4,D5,D5,D6 SiC-SBDダイオード Infineon IDH03G65C5 ¥252 x6
J1 J-FET 7~10mA程度 2SK246BLなど ¥30 x1
Q1 NPN 小電力トランジスタ 2N2222A CANタイプ ¥260 x1
M1 SiC-MOSFET Cree C3M0280090D ¥476 x1
C7 ツェナー用 0.1uF 630v X7R ¥20 x1
C6 反応速度調整用。発振しない容量で。~0.1uF -
C1,C2 平滑用 LXJ 8200uF 16v ¥50 x2
C4,C5 平滑用 LXJ 2200uF 35v ¥50 x2
C3 平滑用 MUSE KZ 220uF 50v ¥60 x1
C11,C13 デカップリング用 4.7uF 25v X7S ¥20 x2
C9,C10,C12,C8 デカップリング用 0.1uF 630v X7R ¥20 x4
R1 電圧検出用 1kΩ ¥3 x1
- 基板 Cタイプ 72x47.5mm ¥60 x1
- SiC-MOSFET用 ターミナルブロック 3ピン ¥30 x1
- 電源ライン用 ターミナルブロック 2ピン ¥20 x2
- J1,C6乗せ換え用 ピンソケット ¥50 x1

基盤レイアウト例

image.png

完成図

image.png

測定

トランスは、115v → 9v 25VAを使用。
出力素子はMOSFETであれば、SiCである必要がないので、手持ちの2SK3163もついでに計測。

C6の容量と電圧波形

100mA → 200mA の負荷変動時の波形。
変動負荷は、2SK2232をオシロのプローブ調整用矩形出力使って駆動。
Ch1は出力。
Ch2は変動負荷用の2SK2232のゲート電圧。

なし

image.png

2700 pF

image.png

0.1 uF

image.png

1000uF

ついでに実施。スケール変わっています。

image.png

ここまで容量を大きくすると、ノンフィードバック電源の特性になってきます。

出力デバイス変更時の挙動

固定負荷

C6は無し で計測。

Load 20Ω (250mA) 10Ω (500mA) 5Ω (1000mA)
Cree C3M0280090D 5.064 v 5.048 v 5.022 v
Rohm SCT2450KE 5.060 v 5.038 v 4.944 v
Renesas 2SK3163 5.056 v 5.045 v 5.020 v

結構いいんじゃないでしょうか?

動的負荷変動

50Ω(100mA) → 25Ω(200mA)の負荷変動時の波形。
変動負荷は2SK2232のゲートをオシロのプローブ調整用矩形出力へ接続して実施。
Vccと2SK2232のDrainに50Ωを繋げば、オシロの矩形High期間が25Ω相当になる。

Cree C3M0280090D

image.png

Rohm SCT2450KE

image.png

Renesas 2SK3163

image.png

NJM7805 (比較用)

※垂直スケール 10mv/divです
※水平スケール 8us/divです
image.png

LM350(比較用)

※水平スケール 8us/divです
image.png

LM338(比較用)

※水平スケール 8us/divです
image.png

おわりに

  • 100v 使うので安全確保の上、自己責任にてお願いします。
  • ループ回路があるため、発振する場合があります。必ず測定の上ご利用ください。
  • 過電流保護回路等ありませんので、理解した上でご利用ください。
  • 特に、フィードバック系の故障・接触不良・はんだ不良等は、入力電圧がそのまま出る場合がありますので、覚悟してください。

おまけ

素子変えつつ計測していたら、いろいろ大変なことがありました。

  • 出力をショートさせていて、SiC-SBDのハンダがメルトダウン。それでも壊れなかったSiC-SBDすごいですね。
  • 2N2222A x1 昇天。電源入れたまま素子交換したら死にました。このとき出力10v出ました。
  • Zenarダイオード x2 昇天。電源入れたまま素子交換したら死にました。故障モードは、OpenとShortの2パターンありました。Openの場合は、10v出ました。
  • 倍電圧回路の出力は、24vくらいになるので触るとピリピリします。

やるときは電源切ってやろう!みんなも気を付けて!