< 貴社内限定でご活用下さい > スマート ゲートドライバカプラ TLP5214 アプリケーションノート 応用編 - 2015, Toshiba Corporation. Rev.1.0 2015/12/23
目次 ブランキング時間の設定と調整方法 ---------------------------- C BLANK を変えた時の代表波形 ------------------------------------- スイッチング時間の確認 --------------------------------------------- IGBT 短絡判断電圧の調整 ----------------------------------------- 伝搬遅延時間とゲート容量 ゲート抵抗の関係 ------------------- ソフトターンオフ時間の依存性 ---------------------------------------- IGBT のスイッチング時に発生する負電圧スパイクによる 誤検出対策 ----------------------- バッファトランジスタの追加 -------------------------------------------- 外部ブランキング回路 (R B ) による時間の調整方法 ----------- LED 信号の波形整形方法 ------------------------------------------ RESET 機能 ------------------------------------------------------------- その他注意事項 ( バイパスコンデンサ 不使用端子の処理 ) ---- p.03 p.05 p.06 p.07 p.08 p.09 p.10 p.11 p.12 p.16 p.17 p.18 2/20
コントローラ DRIVER ブランキング時間の設定と調整方法 TLP5214のLED 入力電流 (I F ) をOFF ONにすると出力端子 (Vout) の電圧が上昇し IGBTがターンオン動作を始めます 同時に 外付けIGBTのコレクタ-エミッタ間電圧 (V CE ) をモニタする為に 端子からブランキング容量充電電流 I CHG が出力され 端子電圧が上昇し始めます IGBTのターンオン動作時においては V CE がIGBTの短絡判断電圧 V th(igbt) * 以下になるまでの間 機能を働かせない必要があります この時間をブランキング時間 t BLANK と呼び その時間は-V E 端子間に挿入するコンデンサC BLANK の値で調整できます TLP5214では 端子電圧がスレッショルド V=6.5V( 標準値 ) に達すると IGBTのソフトターンオフ動作を開始します t BLANK は V CE がV th(igbt) に達する時間 t th よりも長く かつ IGBTの短絡許容時間 tscよりも短くなるように設定する必要があります *V th(igbt) :P.6 参照 IF I F TLP5214 UVL O I CHG を C BLANK に充電し 端子電圧の上昇時間を調整する Vcc2 Vout 1μF 1μF I CHG R P V GE V CE V th(igbt) t th IC LED 信号 V EE C BLANK V 6.5V Rf SHIELD V CLAMP V CLAMP 1μF R pull R G V GE V CE N 端子電圧 IGBT の電圧を監視 (Di R 含む ) V E V F +(R I CHG ) +V CE(sat) V E 0.1μF V LED t BLANK 過電流保護動作が無効となる時間 過電流保護動作が有効となる時間 3/20
t BLANK (μs) ブランキング時間の設定と調整方法 t BLANK は以下のように C BLANK V I CHG により計算できます t BLANK = C BLANK V / I CHG ここでV I CHG は一定値で それぞれ6.5V( 標準値 ) IF 240μA( 標準値 ) です t BLANK の計算例を示します V CE IC CBLANK として 100pF を使う場合 t BLANK は次のように計算されま す t BLANK = 100x10-12 F x 6.5V / (240 x 10-6 )A = 2.7 μs V 6.5V 端子電圧 小 C BLANK 大 C BLANK と t BLANK の関係をグラフにすると以下のようになります 10 8 6 4 t BLANK - C BLANK 小 t BLANK 過電流保護動作が無効となる時間 過電流保護動作が有効となる時間 大 2 0 0 100 200 300 C BLANK (pf) C BLANK を変えて過電流保護が無効になる時間を調整します 4/20
C BLANK を変えた時の代表波形 TLP5214 の LED を ON させ 端子 V out 端子をモニタした実際の波形を示します TLP5214 C BLANK =100pF TLP5214 C BLANK =200pF Ta=25 I F =10mA,V CC2 =30V Rg=10Ω,Cg=25nF Ta=25 I F =10mA,V CC2 =30V Rg=10Ω,Cg=25nF t BLANK 1μs t BLANK 1μs C BLANK によって t BLANK が変わることが確認できます ご参考資料 (ACPL-332J) Ta=25 I F =10mA,V CC2 =30V Rg=10Ω,Cg=25nF t1 ( 遅れ時間 ) 左図は ACPL-332J の 端子電圧波形の例です この製品の場合 遅れ時間 ( t1) が含まれており 立ち上がり時の挙動は弊社の TLP5214 と異なっております 置き換え検討の際には 十分留意の上 設計いただくようお願いいたします 測定波形は回路の浮遊容量や測定時のプローブ容量が含まれています 5/20
スイッチング時間の確認 TLP5214 の LED を ON して IGBT がターンオンするまでのスイッチング時間が t BLANK 以下になっていることを確認します 条件 : TLP5214 の t plh + IGBT の t ON *= スイッチング時間 < t BLANK t plh : TLP5214 のデータシートより 150ns(max) * ここでは t th t ON とします t ON : IGBT の Qg TLP5214 の出力電流 I O から推定します 計算式 ;t on = Qg/I O ここで例として IGBT GT30J341 を V GE =15V,I O =1.5A でスイッチングさせる場合 データシートの V CE, V GE -Qg 特性から Qg は 130nC なので スイッチング時間 < t BLANK t ON =130nC/1.5A 87ns 従って スイッチング時間 =150ns + 87ns =237ns < 2.7μs** (**t BLANK :P.3 参照 ) が確認できました ただし この条件を満たしていても C BLANK が小さいとスイッチング時のノイズによる 誤動作等が起こる恐れがあります そのため 先に説明した t BLANK と t sc の関係を 満たす範囲でできる限り大きな C BLANK を使用することを推奨します GT30J341 15V TLP5214 の t plh IGBT の t ON I F V O I O V CE IC IGBT のスイッチング時間よりも t BLANK が短い場合は正常に動作しません V th(igbt) V 6.5V 端子電圧 V E t BLANK 6/20
IGBT 短絡判断電圧の調整 TLP5214のV は6.5V( 標準値 ) ですが 使用するIGBTの安全動作領域を考慮して短絡判断電圧 V th(igbt) を下げる必要がある場合は 1ダイオードのV F による電圧降下を利用する方法や 2ツェナーダイオードを使用する方法が挙げられます 1の場合 New V th(igbt) =V -(n x V F + R x I CHG ) n: ダイオードの数 2の場合 New V th(igbt) =V -(VF + V z + R x I CHG ) V z : ツェナー電圧計算例 : 方法 1で ダイオード (VF=0.4V@240μA) を3 個 R として100Ωを使用した場合 TLP5214 New V th(igbt) = 6.5 (3 x 0.4V + 100Ω x 240μA) 5.3 V Vcc2 V O V 100Ω C BLANK ダイオード接続例 1 2 P IF V O V EE R G V CE IC V CLAMP V E 正常動作中は ダイオードに順電流が流れ IGBT の V R CE を監視しています ただし大電力のアプリケーションでは PullDow n フリーホイールダイオードの逆回復スパイク電圧により 電圧の誤検出を誘発します この逆回復電流を最小化させるために 寄生容量の小さいFRDを推奨します N V th(igbt) New V th(igbt) V 6.5V V F n 接続したダイオードの V F や V z により ターンオン後の 端子電圧が変わります 方法 2 ではツェナーダイオードを使用するため 短絡判断電圧 端子電圧 の微調整が可能です 使用する IGBT に応じて調整をお願いいたします V F n 7/20
t PLH /t PHL (ns) t PLH /t PHL (ns) 伝搬遅延時間とゲート容量 ゲート抵抗の関係 I F = 10 ma (P.G.) (f =10kHz, duty = 50%, tr = tf = 5ns 以下 ) t plh /t phl - Cg t plh /t phl - Rg 200 150 V EE =0V R g =10Ω 200 150 V EE =0V C g =25nF t plh t plh 100 100 t phl 50 t phl 50 0 10 20 30 40 50 Cg (nf) 0 0 10 20 30 40 50 Rg (Ω) 8/20
t (10%) (μs) t (10%) (μs) ソフトターンオフ時間の依存性 TLP5214 のソフトターンオフ時間 (t (10%) ) は ゲート抵抗 Rg ゲート容量 Cg 出力電源電圧 V cc2 に依存します ソフトターンオフ時間 10 8 6 t (10%) Cg Vcc2=15V Vcc2=30V V EE =0V Rg=10Ω 6 4 t (10%) Rg Vcc2=15V Vcc2=30V V EE =0V Cg=25nF 4 2 2 0 0 10 20 30 40 50 Cg (nf) 0 10 20 30 40 50 Rg (Ω) 9/20
IGBT のスイッチング時に発生する負電圧スパイクによる 誤検出対策 が誤検出される原因の一つは 端子の寄生ダイオードが順バイアスされて順電流が流れることです これはフリーホイールダイオードからくる逆回復スパイクにより ピンがグランド電位以下に引かれて発生します この負電圧スパイクは誘導性負荷や IGBT/FET のフリーホイールダイオードの逆回復スパイク等により発生します の誤検出を防ぐため ツェナーダイオードやショットキーバリアダイオードを -V E 間に接続してください ( 選定される際には定格にご注意ください ) ツェナーダイオード (Vz=7~8V) は ピンを正の過電圧から保護し ショットキーバリアダイオードは 端子の寄生ダイオードが順バイアスされるのを防ぎます 1uF C BLANK 負電源使用 R D P 1uF TLP5214 1uF R B 10Ω R G 25nF N 10/20
バッファトランジスタの追加 TLP5214 の出力電流は最大 4A ですが IGBT ゲート駆動電流が不足する場合はバッファトランジスタを使用することができます TLP5214 が異常検出し IGBT をソフトターンオフさせるためには バッファトランジスタの入力から V EE に 25nF のキャパシタを接続し Vout 出力と NPN PNP Tr のベースの間に 10Ω の抵抗を接続してください なお負電源を使う場合やアクティブミラークランプ機能を使用しないときは V CLAMP 端子を V EE に接続してください IGBT のゲート駆動電流が 4A 以上必要な場合は TLP5214 TTC3710B / TTA1452B などの弊社トランジスタをご検討ください また ダイオードを検討の場合は 下記ラインアップがございます 1uF C BLANK TTC3710B R D P トランジスタラインアップ 製品名絶対最大定格 NPN PNP V CEO I C P C ハ ッケーシ 1uF TTC3710B TTA1452B 80V 12A 30W TO-220SIS 1uF R B 10Ω 25nF TTA1452B R G N ダイオードラインアップ 絶対最大定格電気的特性 ( 最大値 ) パッケージ製品名 V RRM(V) I F(AV) (A) V FM(V) @I FM(A) S-FLAT TM CRF02 800 0.5 3.0 0.5 CRF03 600 0.7 2.0 0.7 M-FLAT TM CMF05 1000 0.5 2.7 0.5 11/20
外部ブランキング回路 (R B ) による時間の調整方法 外部ブランキング回路の概念を示します この方法は TLP5214 の出力 V OUT から に対して追加の外部抵抗 (R B ) を接続しています これにより R B を介してゲートドライバ フォトカプラの出力からブランキングコンデンサ C BLANK を充電するための電流 (I B ) を追加することができます C BLANK への充電電流を R B によってコントロールできるため より自由度の高いブランキング時間の設定ができるようになります ( なお VE- 間に SBD が接続されていない場合は誤動作する可能性があります ) TLP5214 ブランキングコンデンサの電圧は次のように表すことができます V I =V OUT -V E =R B x i(t) +1/C BLANK (I CHG +i(t)dt)) i(t) = (V I /R B + I CHG ) exp(-t/(c BLANK x R B )) - I CHG 1uF 1uF I CHG C BLANK I B R D P V (t) = V I R B x i(t) = V I - (V I + R B x I CHG )exp (-t/(c BLANK x R B )) +R B x I CHG t BLANK = - C BLANK x R B x log( 1- V /(V I +R B x I CHG ) ) 1uF R B 10Ω 25nF N ここで C BLANK =300pF R B =30kΩ V OUT =17V V EE =10 V とするとデータシートより V =6.5V I CHG =0.25mA を使って t = - 300x10-12 x 30x10 3 x log(1-6.5/(17+30x10 3 x250x10-6 ) = - 9000 x 10-9 x log (1-6.5/(17+7.5)) = -9 x10-6 x log (0.7346) = 2.774 x10-6 よって t BLANK は 2.8μs となります 12/20
外部ブランキング回路 (R B ) による時間の調整方法 R B を接続した場合の実測波形を下記に示します ( 条件 C BLANK =100pF R B =30kΩ V cc2 =17V V EE =10V) I F V OUT RB を接続しない場合の t BLANK は 3.1μs ですが 接続した場合は 1.2μs と R B を経由して流れる I B によりブランク時間が短くなっています R B = なし 3.1us FAULT これにより C BLANK をより大きな値に設定しても 短絡保護時間を超えない設計ができるようになります 測定回路 (t 測定回路に R B を接続 ) C BLANK = 100pF I F SCOPE R B =30kΩ V OUT 1.2us FAULT 17V 10V R B = 30kΩ 13/20
t BLANK (μs) 外部ブランキング回路 (R B ) による時間の調整方法 C BLANK の条件を変えた場合の実測波形を下記に示します ( 条件 R B =30kΩ 固定 C BLANK =50~1000pF V cc2 =17V V EE =10V) C BLANK =100pF C BLANK =330pF C BLANK =680pF I F I F I F V OUT V OUT V OUT FAULT FAULT FAULT C BLANK = 50~1000pF 10 8 実測値 計算値 SCOPE R B = 30kΩ 固定 6 17V 10V 4 2 0 0 200 400 600 800 1000 C BLANK (pf) 14/20
t BLANK (μs) 外部ブランキング回路 (R B ) による時間の調整方法 次にR B の条件を変えた場合の実測波形を下記に示します (C BLANK =330pF) R B =1kΩ R B =30kΩ I F I F V OUT V OUT FAULT FAULT C BLANK = 330pF 10 8 実測値 計算値 SCOPE R B = 330~30kΩ 6 4 17V 10V 2 0 0 10000 20000 30000 R B (Ω) 15/20
コントローラ DRIVER LED 信号の波形整形方法 コントロール基板とモーター制御基板が離れている場合 TLP5214 と CPU 間の距離が長くなるため 配線によるインダクタンス等の影響をうけて入力信号の傾きが変わる可能性があります TLP5214 LED 信号 74VHCV244FT I F LED 電流制限抵抗 SHIELD Rf 0.1μF そこでTLP5214の入力信号の波形整形を行うために ヒステリシス機能付きBufferを入れる方法があります 製品名ファンクション V CC(opr) I OH /I OL tpd ハ ッケーシ 74VHCV244FT Octal Schmitt Bus Buffer 1.8 ~5.5V 16mA 3.9ns(typ.) TSSOP20B 16/20
RESET 機能 TLP5214 が異常を検知し保護動作を開始した後 通常状態に復帰するための RESET 機能は LED の入力に連動しています (LED トリガ型 ) ドライバカプラでは FAULT モードを解除する方法として TLP5214 のような LED トリガ型のほかに 外部からの RESET 信号入力して解除するタイプや FAULT 信号が自動復帰するタイプが存在します TLP5214タイミングチャート (FAULT 時 ) 端子電圧が規定値を超え Vo が保護動作に入る FAULT 信号 H L IF TLP5214 TLP5214 は RESET 外部入力による解除や 自動復帰モードの動作をすることができません そのような動作が必要な場合は本製品のみでは使用はできませんので マイコンの制御ソフト修正や 外付け部品などで対策する必要があります V O 端子電圧 TLP5214 FAULT 出力 t BLANK 6.5V t (FAULT) LED に連動して FAULT 復帰 17/20
コントローラ DRIVER その他注意事項 1V E -V CC2 端子間 V CC2 -V EE 端子間に バイパスコンデンサ 1μF を端子近傍に取り付けてください 負電源を使用される場合は V E -V EE 端子間にも取り付けてください 2V CC1 -V S 端子間には バイパスコンデンサ 0.1μF を端子近傍につけてください 3LED 端子 (15 番ピン ) はテストピンです 回路のいずれにも接続しないでください 4V CLANP 端子を使用しない場合 ( アクティブミラークランプ機能を使用しない場合 ) は VEE 端子とショートしてください TLP5214 UVL O V cc2 Vout 1 1μF 1 1μF R R f SHIELD DESA T V CLAM P V E E V CLAM P 4 1μF 1 R pull R G P 0.1μF 2 V E V LE D 3 N 18/20
製品取り扱い上のお願い 本資料に掲載されているハードウエア ソフトウエアおよびシステム ( 以下 本製品という ) に関する情報等 本資料の掲載内容は 技術の進歩などにより予告なしに変更されることがあります 文書による当社の事前の承諾なしに本資料の転載複製を禁じます また 文書による当社の事前の承諾を得て本資料を転載複製する場合でも 記載内容に一切変更を加えたり 削除したりしないでください 当社は品質 信頼性の向上に努めていますが 半導体 ストレージ製品は一般に誤作動または故障する場合があります 本製品をご使用頂く場合は 本製品の誤作動や故障により生命 身体 財産が侵害されることのないように お客様の責任において お客様のハードウエア ソフトウエア システムに必要な安全設計を行うことをお願いします なお 設計および使用に際しては 本製品に関する最新の情報 ( 本資料 仕様書 データシート アプリケーションノート 半導体信頼性ハンドブックなど ) および本製品が使用される機器の取扱説明書 操作説明書などをご確認の上 これに従ってください また 上記資料などに記載の製品データ 図 表などに示す技術的な内容 プログラム アルゴリズムその他応用回路例などの情報を使用する場合は お客様の製品単独およびシステム全体で十分に評価し お客様の責任において適用可否を判断してください 本製品は 特別に高い品質 信頼性が要求され またはその故障や誤作動が生命 身体に危害を及ぼす恐れ 膨大な財産損害を引き起こす恐れ もしくは社会に深刻な影響を及ぼす恐れのある機器 ( 以下 特定用途 という ) に使用されることは意図されていませんし 保証もされていません 特定用途には原子力関連機器 航空 宇宙機器 医療機器 車載 輸送機器 列車 船舶機器 交通信号機器 燃焼 爆発制御機器 各種安全関連機器 昇降機器 電力機器 金融関連機器などが含まれますが 本資料に個別に記載する用途は除きます 特定用途に使用された場合には 当社は一切の責任を負いません なお 詳細は当社営業窓口までお問い合わせください 本製品を分解 解析 リバースエンジニアリング 改造 改変 翻案 複製等しないでください 本製品を 国内外の法令 規則及び命令により 製造 使用 販売を禁止されている製品に使用することはできません 本資料に掲載してある技術情報は 製品の代表的動作 応用を説明するためのもので その使用に際して当社及び第三者の知的財産権その他の権利に対する保証または実施権の許諾を行うものではありません 別途 書面による契約またはお客様と当社が合意した仕様書がない限り 当社は 本製品および技術情報に関して 明示的にも黙示的にも一切の保証 ( 機能動作の保証 商品性の保証 特定目的への合致の保証 情報の正確性の保証 第三者の権利の非侵害保証を含むがこれに限らない ) をしておりません 本製品には GaAs( ガリウムヒ素 ) が使われています その粉末や蒸気等は人体に対し有害ですので 破壊 切断 粉砕や化学的な分解はしないでください 本製品 または本資料に掲載されている技術情報を 大量破壊兵器の開発等の目的 軍事利用の目的 あるいはその他軍事用途の目的で使用しないでください また 輸出に際しては 外国為替及び外国貿易法 米国輸出管理規則 等 適用ある輸出関連法令を遵守し それらの定めるところにより必要な手続を行ってください 本製品の RoHS 適合性など 詳細につきましては製品個別に必ず当社営業窓口までお問い合わせください 本製品のご使用に際しては 特定の物質の含有 使用を規制する RoHS 指令等 適用ある環境関連法令を十分調査の上 かかる法令に適合するようご使用ください お客様がかかる法令を遵守しないことにより生じた損害に関して 当社は一切の責任を負いかねます 19/20
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