ゲートドライバーカプラー パワーデバイス ゲート負バイアス電源使用時の注意事項

ゲートドライバーカプラー アプリケーションノート Application Note ゲートドライバーカプラー パワーデバイス ゲート負バイアス電源使用時の注意事項 概要 本資料はお客様が TLP5752Hなどの汎用ゲートドライバーカプラーや TLP5214Aなどのスマートゲートドライバーカ プラーをお使い頂く際に注意すべき、パワーデバイスのゲート回路を設計する上でのヒントをまとめた資料です。 IGBTやパワーMOSFETなどのパワーデバイスのゲート回路は、高電圧大電流をスイッチングする際発生するノイズに よる誤動作を防止するため、ゲート入力信号オフ時に負バイアスの電源でゲート電圧をマイナスに引く例があります。 本資料では、ゲート負バイアス電源使用時の注意事項やヒントを述べます。 これは参考資料です。本資料での最終機器設計はしないでください。 ©2021 1 Rev.1.0 2021-01-19 Toshiba Electronic Devices & Storage Corporation

ゲートドライバーカプラー アプリケーションノート Application Note 目次 概要 ........................................................................................................................ 1 目次 ........................................................................................................................ 2 1. ゲート負バイアス電源使用時の応用回路例 ........................................................................ 3 2. ゲート電源設計時の注意事項 ....................................................................................... 4 3. ゲート負バイアス電源使用時の動作波形例 ........................................................................ 4 4. UVLO/AMC回路併用時の注意事項 .............................................................................. 6 5. DESAT回路の注意事項 ............................................................................................ 8 変更履歴 .................................................................................................................. 9 記載内容の留意点 ..................................................................................................... 10 使用上のご注意およびお願い事項 ..................................................................................... 10 製品取り扱い上のお願い ............................................................................................... 11 図目次 図 1.1 TLP5752H IGBT ゲートドライブ応用回路例 .................................................................. 3 図 1.2 TLP5214A IGBT ゲートドライブ応用回路例 .................................................................. 3 図 3.1 IGBT ダブルパルス試験 TLP5214Aゲートドライブ回路 ........................................................ 4 図 3.2 IGBT ダブルパルス試験 動作波形例 ............................................................................. 5 図 4.1 TLP5752H ゲート正バイアス電源使用時の UVLO モニター位置 ............................................. 6 図 4.2 TLP5752H ゲート負バイアス電源併用時の UVLO モニター位置 ............................................. 6 図 4.3 TLP5214A ゲート負バイアス電源併用時の UVLO モニター位置 ............................................. 7 図 4.4 TLP5214A AMC機能 非使用時の端子短絡箇所 .......................................................... 8 図 5.1 TLP5214A 入力ゲート信号オフ時の電流経路 ................................................................. 8 表目次 表 2.1 TLP5752H と TLP5214A の供給電流比較表 .................................................................................. 4 表 4.1 TLP5752H ゲート負バイアス電源使用時の UVLO スレッショルド電圧.................................................. 7 表 4.2 TLP5214A ゲート負バイアス電源使用時の UVLO スレッショルド電圧 .................................................. 7 ©2021 2 Rev.1.0 2021-01-19 Toshiba Electronic Devices & Storage Corporation

ゲートドライバーカプラー アプリケーションノート Application Note 1. ゲート負バイアス電源使用時の応用回路例 まず汎用ゲートドライバーカプラーとスマートゲートドライバーカプラーのパワーデバイスゲート駆動回路例を示します。 これらの回路例では、IGBTのゲートを TLP5752Hあるいは TLP5214A でドライブしています。負バイアス電源は IGBT のエミッタ―と GND または VEE端子の間に接続します。電源電圧の設定時には正バイアス電源(VCC または VCC2)と負バイアス電源の合計電圧がドライバーカプラーやスマートゲートドライバーカプラーの最大定格を超えないよう注意 してください。 なお VCC または VCC2の設計時には、UVLO(低電源電圧保護)機能や後段のパワーデバイスのゲート耐電圧にも留 意してください。 (ゲート出力側回路は一部配線を省略。またゲート信号入力回路は省略) 図 1.1 TLP5752H IGBT ゲートドライブ応用回路例 (ゲート出力側回路は DESAT回路使用。また一部配線は省略。ゲート信号入力回路は省略) 図 1.2 TLP5214A IGBT ゲートドライブ応用回路例 ©2021 3 Rev.1.0 2021-01-19 Toshiba Electronic Devices & Storage Corporation

ゲートドライバーカプラー アプリケーションノート Application Note 2. ゲート電源設計時の注意事項 通常のインバーター回路では IGBTや MOSFETなどのパワーデバイスが 6個、また例えば近年のマルチレベルインバー ター回路ではさらに多くのパワーデバイスが使われます。その際、特にハイサイド側パワーデバイスのゲート電源は、他のパワ ーデバイスのゲート回路との GND分離が必要となり、絶縁トランスやブートストラップコンデンサーによるフローティング電源 が使われています。 絶縁電源の小型化が必要な場合、あるいは十分なブートストラップコンデンサー容量が確保できない場合、パワーデバ イスのゲート充放電電流以外に以下のパラメーターにも留意が必要です。 汎用ゲートドライバーカプラー :供給電流 ICC スマートゲートドライバーカプラー :供給電流 ICC、ブランキングコンデンサー充電電流とそれを補完するブースト電流、 FAULT フィードバック用 LED電流 表 2.1 TLP5752H と TLP5214Aの供給電流比較表 型名 項目 記号 標準 最大 TLP5752H “H”レベル供給電流 ICCH 1.8mA 3.0mA “L”レベル供給電流 ICCL 1.7mA 3.0mA TLP5214A “H”レベル供給電流 ICC2H 2.4mA 3.8mA “L”レベル供給電流 ICC2L 2.3mA 3.8mA 供給電流自体にはあまり大きな違いはないのですが、特にスマートゲートドライバーカプラーでは保護機能発動時、供給 電流以外に FAULT フィードバック用 LED電流が約 10mA、ブランキングコンデンサーブースト電流(ただしゲートローレベ ル変化後)が約 9mA*流れる可能性があります。 その際の消費電力は約 480mW まで上昇しますので、速やかにシステムの停止あるいは次のゲート入力信号で保護 機能をリセットしてください。なおブランキングコンデンサー用のブースト電流については、5項の中で紹介致します。 *:VCC2~VEE = 30V, VEE = -10V, RB = 1kΩ 3. ゲート負バイアス電源使用時の動作波形例 TLP5214Aで IGBT をスイッチングさせたときの波形例を以下に示します。 試験回路 (クランプ回路は VEEと接続、また出力バッファー回路とゲート信号入力回路は省略) 測定条件 ・VCC=750V, IC≒540A, Ta=25℃, リアクトル:200μH 図 3.1 IGBT ダブルパルス試験 TLP5214A ゲートドライブ回路 ©2021 4 Rev.1.0 2021-01-19 Toshiba Electronic Devices & Storage Corporation

ゲートドライバーカプラー アプリケーションノート Application Note スイッチング動作波形例 図 3.2 IGBT ダブルパルス試験 動作波形例 ©2021 5 Rev.1.0 2021-01-19 Toshiba Electronic Devices & Storage Corporation

ゲートドライバーカプラー アプリケーションノート Application Note 4. UVLO/AMC回路併用時の注意事項 UVLO機能の概要 UVLO とは Under Voltage Lock Outの略名でゲート低電圧動作防止機能のことです。動作中に電源電圧が低 下し、UVLO スレッショルド電圧を下回った際にゲート出力を停止してパワーデバイスの非飽和動作を防止します。電源電 圧が上昇し UVLO解除電圧を上回ると UVLOは解除され動作を再開します。 IGBTなどのパワーデバイスを動作させる場合、ゲート電圧が低下すると導通損失が大きくなり、過熱や素子破壊が生 じる恐れがあります。それを抑える目的で TLP5752H と TLP5214A には UVLO機能が取り込まれています。 ゲート負バイアス電源使用時の注意事項 TLP5752Hなど東芝の汎用ゲートドライバーカプラーは UVLO の基準電位が VEE(GND)端子ですので、負バイアスを 使用した場合、負バイアス電圧分スレッショルド電圧が低下します。ゲート正バイアス電源に UVLO機能が必要な場合 は、ゲート負バイアス電源の影響を受けないスマートゲートドライバーカプラーを選んでください。 TLP5214Aは UVLOの基準電位が VE端子のため、負バイアス電源から独立してゲート正電源が保護出来ます。 図 4.1 TLP5752H ゲート正バイアス電源使用時の UVLO モニター位置 図 4.2 TLP5752H ゲート負バイアス電源併用時の UVLO モニター位置 ©2021 6 Rev.1.0 2021-01-19 Toshiba Electronic Devices & Storage Corporation

ゲートドライバーカプラー アプリケーションノート Application Note 表 4.1 TLP5752H ゲート負バイアス電源使用時の UVLO スレッショルド電圧 条件 項目 記号 最小 最大 正電源のみ 12.1V 13.5V 負電源(例-10V)併用 UVLO スレッショルド V + UVLO 2.1V 3.5V (12.1V-10V) (13.5V-10V) 図 4.3 TLP5214A ゲート負バイアス電源併用時の UVLO モニター位置 表 4.2 TLP5214A ゲート負バイアス電源使用時の UVLO スレッショルド電圧 条件 項目 記号 最小 最大 正電源のみ UVLO スレッショルド V + UVLO 10.5V 13.5V 負電源(例-10V)併用 なお TLP5214A の UVLO機能はゲート正バイアス電源のみに機能し、負バイアス電源には適用されません。ゲート負 バイアス電源に UVLO機能が必要な場合は、パワーデバイスプリドライバーカプラー新製品 TLP5231 をお選びください。 AMC機能の概要 AMC とは Active Miller Clampの略名でゲート誤動作防止機能を意味します。インバーター回路でパワーデバイス をスイッチングさせる際、ハイサイドパワーデバイスとローサイドパワーデバイスをつなぐ中点の電位が急峻に上昇し dV/dtが 発生します。このとき、ローサイドパワーデバイスの寄生容量を介して変位電流がゲート抵抗 RG に流れると、ゲート電圧が 上昇しパワーデバイスの誤ターンオンが発生、上下アーム短絡が引き起こされます。 AMCはパワーデバイスのゲートとエミッタ―またはソースを短絡する機能で、変位電流がゲート抵抗 RGに流れるのを防 止して誤ターンオンを防ぎます。東芝の汎用ゲートドライバーカプラーには本機能は内蔵されていませんが、スマートゲートド ライバーカプラーTLP5214A または TLP5214 には入っています。 AMC については「スマートゲートドライバーカプラーTLP5214 アプリケーションノート ―導入編―」の 4章に詳しく述べ てあります。詳細はそちらをご覧ください。 ©2021 7 Rev.1.0 2021-01-19 Toshiba Electronic Devices & Storage Corporation

ゲートドライバーカプラー アプリケーションノート Application Note ゲート負バイアス電源との併用について 一般的に寄生容量起因の誤動作はゲート負バイアス電源を使う事でも防止可能です。AMCが必要無い場合は VCLAMP端子と VEE端子を短絡して機能を停止してください。 なお AMCの基準電位は VEE端子となっていますので、ゲート負バイアス電源と併用することも可能です。ゲート抵抗 RGの調整や配線インピーダンスの低減が難しい場合にご検討ください。 図 4.4 TLP5214A AMC 機能 非使用時の端子短絡箇所 5. DESAT回路の注意事項 DESAT回路は「スマートゲートドライバーカプラーTLP5214/TLP5214A アプリケーションノート ―応用編―」または 「スマートゲートドライバーカプラーDESAT検出回路設計のヒント」で詳しく述べています。詳細はそちらをご覧ください。 ゲート負バイアス電源使用時の注意事項 入力ゲート信号がオフのとき、負バイアス電源と RB、SBD を併用している場合、オフ時間の間、下図に示す経路で電 流が流れ続けます。流れる電流は負バイアス電源と RBに依存しますので、ブランキングコンデンサー充電電流を RB経由 の電流で補完する場合、入力ゲート信号オフ時にゲート回路を流れる電流にも留意頂くようお願いします。 ( 例:VEE =-10V, RB =1kΩ の場合、約 9mAの電流が流れます。 ) 図 5.1 TLP5214A 入力ゲート信号オフ時の電流経路 ©2021 8 Rev.1.0 2021-01-19 Toshiba Electronic Devices & Storage Corporation

ゲートドライバーカプラー アプリケーションノート Application Note 変更履歴 バージョン情報 日付 対応ページ数 変更内容 Rev. 1.0 2021-1-6 - 初版 ©2021 9 Rev.1.0 2021-01-19 Toshiba Electronic Devices & Storage Corporation

ゲートドライバーカプラー アプリケーションノート Application Note 記載内容の留意点 1. 応用回路図 ブロック図内の機能ブロック/回路/定数などは、機能を説明するため、1部省略・簡略化している場合があります。 2. 等価回路 等価回路は、回路を説明するため、一部省略・簡略化している場合があります。 3. 回路定数計算例 本文中の数値は回路を分かりやすく説明するために例として記載しています。記載の数値で動作を保証するものでは ありません。 使用上のご注意およびお願い事項 (1) 絶対最大定格は複数の定格の、どの 1 つの値も瞬時たりとも超えてはならない規格です。 複数の定格のいずれに対しても超えることができません。絶対最大定格を超えると破壊、損傷および劣化の原 因となり、破裂・燃焼による傷害を負うことがあります。 (2) 過電流の発生や IC の故障の場合に大電流が流れ続けないように、適切な電源ヒューズを使用してください。 IC は絶対最大定格を超えた使い方、誤った配線、および配線や負荷から誘起される異常パルスノイズなどが原 因で破壊することがあり、この結果、IC に大電流が流れ続けることで、発煙・発火に至ることがあります。破壊に おける大電流の流出入を想定し、影響を最小限にするため、ヒューズの容量や溶断時間、挿入回路位置などの 適切な設定が必要となります。 ©2021 10 Rev.1.0 2021-01-19 Toshiba Electronic Devices & Storage Corporation

ゲートドライバーカプラー アプリケーションノート Application Note 製品取り扱い上のお願い 株式会社東芝およびその子会社ならびに関係会社を以下「当社」といいます。 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を以下「本製品」といいます。 • 本製品に関する情報など、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 1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 1般に誤作動または故障する場合があります。 本製品をご使用いただく場合は、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 責任で、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、お客様の責任で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(ヘルスケ ア除く)、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、 発電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 1切の責任を負いません。なお、詳細は当社営業窓口まで、または当社Web サイトのお問い合わせフォームからお問い合 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、複製などしないでください。 • 本製品を、国内外の法令、規則および命令により、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および第 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 1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)が使われているものがあります。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などの目的、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、「外国為替および外国貿易法」、「米国輸出管理規 則」など、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指令など、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 1切の責 任を負いかねます。 https://toshiba.semicon-storage.com/jp/ ©2021 11 Rev.1.0 2021-01-19 Toshiba Electronic Devices & Storage Corporation