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DESIGN TIPS DT 92-1J ・APPLICATION ENG・ ・233 KANSAS ST.・ ・EL SEGUNDO,CA.90245・ ・TEL（310） ）322-3331・ ・FAX（310） ）322-3332 INTERNATIONAL RECTIFIER・ パワーＩＣによる大電力・高周波ドライブ時の ノイズ問題の解決について Ｂｙ Ｌａｓｚｌｏ Ｋｉｒａｌｙ はじめに の付加電力損失 −不安定な動作に起因するノイズの発生 ＩＲ２１１０・ハーフブリッジドライバパワーＩＣは、 高電圧ハーフブリッジやＨブリッジ回路において、適 切で費用効率のよいゲート駆動を提供するＩＲ社製デ バイス系列の１つです。この系列には、ＩＲ２１２５ （電流検出機能付きハイサイドドライバ）、ＩＲ２１２ １（電流検出機能付きローサイドドライバ）、ＩＲ２１ ３０（３相ブリッジドライバ）も含まれています。グ ランド基準の、ロジックレベルの入力信号を受けて、 ＭＯＳゲートパワートランジスタ（５００Ｖまでオフ セットされる一方はローサイド、もう一方はハイサイ ドのトランジスタ）を駆動するので、ＩＲ２１１０を 使うとシンプルな回路設計になります。必要なのは、 ＩＲ２１１０を１つと、２∼３個の外付けの部品だけ です。 ノイズは制御回路を妨げるので、スイッチング素子の 誤動作や不動作の原因となります。ハイサイドＭＯＳ ゲートドライバの出力（Ｖｓと記したピン５）の際、逆 電圧スパイクがおこると、ドライバＩＣは破壊します。 １．浮遊インダクタンス 一般的なハーフブリッジ回路を図１に示します。この 回路にはＭＯＳＦＥＴが２個、ＩＲ２１１０が１個使 われます。浮遊インダクタンスも図１に示します。 しかし、高スピードで大電流をスイッチするには障害 があります。そういった回路を設計する際に考慮に入 れるべきややこしい点を、このＤＥＳＩＧＮ ＴＩＰ Ｓで詳しく説明します。最も効果的なレイアウトにす るには、回路の動作に最も影響する浮遊インダクタン スを最小にしなければなりません。主電流の浮遊イン ダクタンスは、かなりのエネルギーを貯え、スイッチ ング素子がターンオフするとき次のような問題が起こ ります。 −高スパイク電圧 −吸収された誘導エネルギーによるスイッチング素子 Page1 図 1： DESIGN TIPS 回路の動作に最も影響を及ぼす重大な浮遊インダクタ ンスは、大電流が流れるライン上にあります。 ＬＤ１とＬｓ２は、ＭＯＳＦＥＴとデカップリングコ ンデンサの間のワイヤのインダクタンスに左右されま す。Ｌｓ１とＬＤ２は、ＭＯＳＦＥＴ間のワイヤのイ ンダクタンスに左右されます。 次の例で問題の重大さがわかります。Ｑ１（図１参照） が２０ｎｓで１０Ａの負荷電流をスイッチオフすると 仮定して下さい。もしも電流ルートに１０ｎＨのイン ダクタンスがあれば、ターンオフの間に５Ｖのスパイ クが計測できます。ＡＷＧ２４で長さ３／４インチの 電線がまっすぐなときに約１０ｎＨのインダクタンス があります。 図 2： ２．実験結果 テスト回路を図２に示します。この回路には、ＩＲ２ １１０ブリッジドライバデザイナーズキット（品番Ｉ Ｒ２１１９） を含むプリントボードの回路を使います。 電源とテスト回路間の配線の影響をなくすために、Ｑ １ＤとＱ２Ｓの端子の間に１００ｕＦ／２５０Ｖの電 解コンデンサを接続します。 図３に関連する波形を示します。Ｑ１がターンオフ すると、Ｑ２のボディーダイオードがフリーホイー ルの電流を通します。フリーホイールダイオード上 の電圧スパイクは約１０Ｖで、ダイオードのターン オンの遅延とパッケージ内部のインダクタンスに左 右されます。 図 3： Page2 DESIGN TIPS ＩＲ２１１０のピン５での逆スパイクは５０Ｖで、こ れは、ＬＤ２とＬＳ２の影響で、ピン５がフリーホ イールダイオードから絶縁することが原因です。 ４．安全領域を増やすための素子の追加 ＩＲ２１１０のピン５とハイサイドＭＯＳＦＥＴの ソースとの間に抵抗を挿入することによって、逆の過 渡期間中のピン５へ流れる電流を制限することができ ます。この抵抗（Ｒ１Ａ）の位置を図５に、Ｒ１Ａの 値に対するスパイクの大きさとターンオフ時間を図６ に示します。図４と図６を比較すると、Ｒ１Ａは、ター ンオフ時間では効果が落ちるものの、ピン５での逆ス パイクをＲ１よりも効果的に抑制していることがわか ります。 図 4： ３．スイッチング速度制限 ＭＯＳゲートパワートランジスタを、ＩＲ２１１０、も しくはそれに似たＭＯＳゲートドライバから直接駆動さ せると、どうしても高スイッチング速度になります。図 ２の回路は、 ０Ωの直列のゲート抵抗ではターンオフ時 間が４ｎｓになり、 ＩＲ２１１０のピン５で９０Ｖの逆 スパイクが生じます。 直列のゲート抵抗に対する、 逆スパイクとターンオフ時 間のグラフを図４に示します。ターンオフ時間は、直列 のゲート抵抗の一次関数ですから、 直列のゲート抵抗の 値が増えるにつれて、 逆スパイクの大きさはすばやく減 少します。 グラフの急な屈曲部（図４参照）からちょうどよい抵抗 値を選ぶと、 スパイクの大きさとターンオフ速度間のト レードオフがよくなります。 テスト回路で２７Ωのゲー ト抵抗を選んだ結果は、スパイク電圧が１８Ｖで、ター ンオフ時間が４８ｎｓでした。 Page3 図 5： DESIGN TIPS 逆スパイクを抑制するもう１つの方法は、ダイオード をピン５からアースに配置することです。図５におい て、これは高速・高耐圧のダイオードのＤ１Ａですが、 Ｒ１Ａはこのダイオードを通る電流を制限します。こ のアプリケーションでダイオードを選ぶ際の最も重要 な要素は、ターンオン時間です。逆回復時間は問題に なりませんが、もし長すぎるようであれば、Ｒ１Ａは 動作周波数が高いと相当の電力を損失します。一般的 に、ダイオードの逆回復時間が短ければ、ターンオン 時間が長くなるのは事実です。 この回路で、いくつかの異なったダイオードがテスト されました。逆スパイクの幅がたった１５ｎｓだった ので、これらのダイオードでは、ピン５の逆スパイク の幅にたいした違いはありませんでした。 しかし、もしも浮遊インダクタンスが高くなれば、逆 スパイクも広がり、ダイオードが効果的にクランプし ます。 ５．まとめ 浮遊インタクタンスが接続された状態で高速スイッチ ングを行うと、高圧・高速スパイクが生じます。この スパイクのエネルギーは、浮遊インダクタンスと電流 の２乗に比例して憎加します。ＩＲはグランドから− ５ＶまでＭＯＳゲートドライバの動作を保証します。 このことにより、ロジック側のグランドとＭＯＳＦＥ Ｔの電力側のグランド間で適度の逆電圧スパイクのあ る場合でも、適切な回路の動作が確約されます。 信頼性のある回路の動作を確実にするためには、次の ようなことをしなければなりません。 −レイアウトを考慮して、主電流沿いの浮遊インダク タンスを最小にする −電力側に物理的に近い、適切な高周波の減結合を用 いる −高電流ループの範囲を最小にする −可能なかぎりツイスト線を用いる −スイッチング素子のスイッチング速度を制限する 特に直列のゲート抵抗を一定の大きさにして、ハイサ イドスイッチのターンオフ速度を制限する −ピン５への電流と電圧を制限するためにＲ１Ａ抵抗 とＤ１Ａのダイオードを用いる 図 6： Page4