X36_SGDTLP5214アプリケーションノート(応用編)_先

＜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-

・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DESAT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) ----

目次

p.03

p.05

p.06

p.07

p.08

p.09

p.10

p.11

p.12

p.16

p.17

p.18

ブランキング時間の設定と調整方法

V

_CE

V

_GE

I

F

V

_th(IGBT) DESAT端子電圧 I_CHGをC_BLANKに充電しDESAT端子 電圧の上昇時間を調整する。 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 IGBTの電圧を監視 (Di、R含む)

C

_BLANK V_GE V_CE

I

_CHG VLED VCLAMP VEE DESAT Vcc2 Rf 0.1μF P N VCLAMP DRIV E R UVL O SHIELD DESAT TLP5214 LED信号 コ ント ロー ラ I_F VE Vout RDESAT 1μF 1μF RG Rpull 1μF 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DESAT端子からブランキング容量充電電流I_CHGが出力され、 DESAT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、DESAT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DESAT-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DESAT端子電圧がDESATスレッショルド VDESAT=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 V_DESAT≒6.5V

I

C VE

t

_ｔｈ

0 2 4 6 8 10 0 100 200 300

t

_{BLANK －}

C

_BLANK

C

_BLANK

(pF)

t

BLANK

(

μ

s)

t

_BLANK

は以下のようにC

_BLANK

、V

_DESAT

、I

_CHG

により計算できます。

t

_BLANK

=

C

_BLANK

× V

_DESAT

/ I

_CHG

ここでV

_DESAT

、I

_CHG

は一定値で、それぞれ6.5V(標準値)、

240μA(標準値)です。

t

_BLANK

の計算例を示します。

C

BLANK

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

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。

V

_CE

_I

_C DESAT端子電圧

I

F 過電流保護動作が 有効となる時間

小

大

小

tBLANK 過電流保護動作が 無効となる時間

大

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。

V_DESAT≒6.5V

C

_BLANK

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

TLP5214 C

_BLANK

=100pF

TLP5214 C

_BLANK

=200pF

TLP5214のLEDをONさせ、DESAT端子、V

_out

端子をモニタした実際の波形を示します。

※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。 t1 （遅れ時間）

C

_BLANK

によってｔ

_BLANK

が変わることが確認できます。

左図はACPL-332JのDESAT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。

※ご参考資料 （ACPL-332J）

tBLANK Ta=25℃ IF=１0mA,VCC2=30V Rg=10Ω,Cg=25nF 1μs t_BLANK 1μs Ta=25℃ IF=１0mA,VCC2=30V Rg=10Ω,Cg=25nF Ta=25℃ IF=１0mA,VCC2=30V Rg=10Ω,Cg=25nF

GT30J341

スイッチング時間の確認

15V 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 *ここではt_th≒t_ONとします。 t_pLH: TLP5214のデータシートより 150ns(max) 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 t_ON=130nC/1.5A≒87ns 従って、スイッチング時間=150ns + 87ns =237ns < 2.7μs** (**tBLANK: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。

V

_CE

I

C DESAT端子電圧

I

_F

V

_O

I

_O TLP5214のt_pLH IGBTのt_ON tBLANK スイッチング時間 < t_BLANK

V

_th(IGBT) V_E V_DESAT≒6.5V 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

_CE DESAT端子電圧

I

F

V

_O V_F × n Vcc2 P N TLP5214 VCLAMP V_EE VO V_DESAT C_BLANK RG R_PullDow n VE 正常動作中はDESATダイオードに順電流が流れ、IGBTの V_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 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、DESAT 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。

IGBT短絡判断電圧の調整

V

_th(IGBT) New V_th(IGBT) 100Ω ① ② ダイオード接続例

TLP5214のV_DESAT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、①DESAT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_DESAT-(n x V_F + R_DESAT x I_CHG) n: ダイオードの数

②の場合 New V_th(IGBT)=V_DESAT-(VF + V_z + R_DESAT 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、RDESATとして100Ωを使用した場合

New V_th(IGBT) = 6.5 – (3 x 0.4V + 100Ω x 240μA) ≒ 5.3 V

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

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_DESAT≒6.5V

I

C 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DESAT端子 電圧が変わります。

0 50 100 150 200 10 20 30 40 50 tPL H / tPHL (n s) Cg (nF)

t

_pLH

/t

_pHL

- Cg

0 50 100 150 200 0 10 20 30 40 50 tPL H / tPHL (n s) Rg (Ω)

t

_pLH

/t

_pHL

- Rg

V_EE=0V Rｇ＝10Ω V_EE=0V Cｇ＝25nF

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 t_pLH t_pHL

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

_DESAT(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 0 2 4 6 8 10

0

10

20

30

40

50

tDE SA T (1 0 % ) (μ s) Cg (nF)

t

_DESAT(10%)

– Cｇ

Vcc2=15V Vcc2=30V 0 2 4 6

10

20

30

40

50

tDE SA T (1 0 % ) ( μ s) Rｇ (Ω) t_DESAT(10%) – Rｇ Vcc2=15V Vcc2=30V VEE=0V Rｇ＝10Ω VCｇ=25nF EE=0V

IGBTのスイッチング時に発生する負電圧スパイクによるDESAT誤検出対策

DESATが誤検出される原因の一つはDESAT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DESAT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。

DESAT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DESAT－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DESAT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DESAT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。

TLP5214

負電源使用 RG 1uF 1uF 1uF 10Ω 25nF RB RDESAT DDESAT CBLANK P N

製品名 絶対最大定格

ﾊﾟｯｹｰｼﾞ

NPN PNP V_CEO I_C P_C

TTC3710B TTA1452B 80V 12A 30W TO-220SIS

バッファトランジスタの追加

TTA1452B TTC3710B

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、 TTC3710B / TTA1452B などの弊社トランジスタをご検討ください。 またDESAT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。 パッケージ 製品名 絶対最大定格 電気的特性（最大値）

VRRM(V) IF(AV) (A) VFM(V) @IFM(A) S-FLATTM CRF02 800 0.5 3.0 0.5 CRF03 600 0.7 2.0 0.7 M-FLATTM _{CMF05 1000 0.5 2.7 0.5} トランジスタラインアップ ダイオードラインアップ

TLP5214

RG 1uF 1uF 1uF 10Ω 25nF RB RDESAT DDESAT C_BLANK P N

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DESAT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-DESAT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）

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 V_DESAT (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_DESAT/(V_I+R_B x I_CHG) )

ここでC_BLANK=300pF、R_B=30kΩ、VOUT=17V、VEE=10 Vとすると

データシートより、V_DESAT=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。 ICHG

I

_B

TLP5214

1uF 1uF 1uF 10Ω 25nF

R

_B RDESAT DDESAT C_BLANK P N

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)

R

_B

=30kΩ

R

_B

=なし

1.2us 3.1us

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。

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。

C_BLANK ＝ 100pF R_B ＝ 30kΩ IF VOUT DESAT FAULT IF VOUT DESAT FAULT

測定回路

(tDESAT測定回路にRBを接続) 10V 17V SCOPE

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 ＝ 50～1000pF R_B = 30kΩ固定

C

_BLANK

=330pF

C

_BLANK

=680pF

0 2 4 6 8 10 0 200 400 600 800 1000 tBL A N K (μ ｓ） C_BLANK(pF) 実測値 計算値 IF VOUT DESAT FAULT IF VOUT DESAT FAULT IF VOUT DESAT FAULT 10V 17V SCOPE

10V 17V SCOPE

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）

C_BLANK = 330pF R_B = 330～30kΩ

R

_B

=1kΩ

R

_B

=30kΩ

0 2 4 6 8 10 0 10000 20000 30000 tBL A N K (μ ｓ） R (Ω) 実測値 計算値 IF VOUT DESAT FAULT IF VOUT DESAT FAULT

Rf 0.1μF DRI VE R SHIELD TLP5214 LED信号 コ ント ロー ラ I_F

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。

LED信号の波形整形方法

74VHCV244FT

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。

LED電流制限抵抗 製品名 ﾌｧﾝｸｼｮﾝ V_CC(opr) |I_OH|/I_OL tpd _{ﾊﾟｯｹｰｼﾞ}

74VHCV244FT Octal Schmitt Bus

Buffer

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。

DESAT 端子電圧 ≒6.5V

I

F

V

_O tBLANK TLP5214 FAULT出力 tDESAT(FAULT) LEDに連動してFAULT復帰 DESAT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

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。

TLP5214タイミングチャート（FAULT時） DESAT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

TLP5214

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、

V

EE

端子とショートしてください。

その他注意事項

VLE D VCLAM P VE E DESAT Vcc2 R_f 0.1μF P N VCLAM P DRI VE R UVL O SHIELD DESA T TLP5214 コ ント ロー ラ V_E Vout RDESAT 1μF 1μF RG Rpull 1μF

①

①

②

③

④

①

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。

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