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PDFマイクロミニDIP SPM® パッケージ スマートパワーモジュール
Is Now Part of To learn more about ON Semiconductor, please visit our website at www.onsemi.com ON Semiconductor and the ON Semiconductor logo are trademarks of Semiconductor Components Industries, LLC dba ON Semiconductor or its subsidiaries in the United States and/or other countries. ON Semiconductor owns the rights to a number of patents, trademarks, copyrights, trade secrets, and other intellectual property. A listing of ON Semiconductor’s product/patent coverage may be accessed at www.onsemi.com/site/pdf/Patent-Marking.pdf. ON Semiconductor reserves the right to make changes without further notice to any products herein. ON Semiconductor makes no warranty, representation or guarantee regarding the suitability of its products for any particular purpose, nor does ON Semiconductor assume any liability arising out of the application or use of any product or circuit, and specifically disclaims any and all liability, including without limitation special, consequential or incidental damages. Buyer is responsible for its products and applications using ON Semiconductor products, including compliance with all laws, regulations and safety requirements or standards, regardless of any support or applications information provided by ON Semiconductor. “Typical” parameters which may be provided in ON Semiconductor data sheets and/or specifications can and do vary in different applications and actual performance may vary over time. All operating parameters, including “Typicals” must be validated for each customer application by customer’s technical experts. ON Semiconductor does not convey any license under its patent rights nor the rights of others. ON Semiconductor products are not designed, intended, or authorized for use as a critical component in life support systems or any FDA Class 3 medical devices or medical devices with a same or similar classification in a foreign jurisdiction or any devices intended for implantation in the human body. Should Buyer purchase or use ON Semiconductor products for any such unintended or unauthorized application, Buyer shall indemnify and hold ON Semiconductor and its officers, employees, subsidiaries, affiliates, and distributors harmless against all claims, costs, damages, and expenses, and reasonable attorney fees arising out of, directly or indirectly, any claim of personal injury or death associated with such unintended or unauthorized use, even if such claim alleges that ON Semiconductor was negligent regarding the design or manufacture of the part. ON Semiconductor is an Equal Opportunity/Affirmative Action Employer. This literature is subject to all applicable copyright laws and is not for resale in any manner. www.fairchildsemi.com AN-9070_JA マイクロミニDIP SPM® パッケージ スマートパワーモジュール モーション SPM 目次 目次 ............................................................................................................................................................................1 概要 ............................................................................................................................................................................2 デザイン・コンセプト ........................................................................................................................................2 マイクロミニDIP SPMテクノロジ ....................................................................................................................2 パワーデバイス ...............................................................................................................................................2 IGBT ..................................................................................................................................................................2 FRD ...................................................................................................................................................................5 ゲートドライブ IC (HVIC, LVIC) ..........................................................................................................................6 HVIC ......................................................................................................................................................................6 LVIC ......................................................................................................................................................................6 パッケージ ............................................................................................................................................................6 外形とピン配置 ........................................................................................................................................................7 外形図 ....................................................................................................................................................................7 入出力ピン定義 ......................................................................................................................................................11 内部回路 ..............................................................................................................................................................13 マーキング情報 ..................................................................................................................................................13 主要パラメータ別デザインガイド ......................................................................................................................14 短絡保護回路 (SCP) ...........................................................................................................................................14 シャント抵抗の選択 ..............................................................................................................................................15 内部遅延時間の時定数 ......................................................................................................................................16 ソフト・ターンオフ ..........................................................................................................................................17 フォールト出力 ..................................................................................................................................................19 電圧低下保護回路 （UVLO） ..........................................................................................................................20 入力回路 (VIN(H), VIN(L)) ......................................................................................................................................21 ブートストラップ回路設計 ..............................................................................................................................22 ブートストラップ回路の動作 .....................................................................................................................22 ブートストラップ・コンデンサの初期充電..............................................................................................22 ブートストラップ・コンデンサの選択 .....................................................................................................24 ブートストラップコンデンサ計算例 .........................................................................................................24 内蔵ブートストラップダイオード ..................................................................................................................25 NTC サーミスタ 回路（TCをモニタ） ............................................................................................................26 アプリケーション回路例 ......................................................................................................................................30 プリント基板(PCB) レイアウトガイド ...............................................................................................................31 パッケージ仕様 ......................................................................................................................................................32 関連情報 ..................................................................................................................................................................34 © 2009 Fairchild Semiconductor Corporation Rev. 2.0.1 • 11/3/11 日本語アプリケーションノートはあくまでも参考資料として提供されています。 製品のご検討およびご採用に際しましては、必ず最新の英文アプリケーションノート にてご確認をお願いいたします。 www.fairchildsemi.com AN-9070_JA アプリケーションノート 詳細な特性と統合されている機能を以下に示します。 概要 超小型サイズ (39mmx23mm)三相インバータ・ブリッジ モジュール このアプリケーションノートは、マイクロミニDIP SPM® パッケージを用いたモーションSPMTM 製品に関する参考資 料です。モーションSPM 製品データシート, フェアチャイル ドSPM レフェレンスデザイン (RD-344, RD-345)、 および関 連する アプリケーションノート (AN-9071_JA:放熱特性, AN9072_JA: 取り付け方法)も合わせてご参照下さい。 低電力損失で耐久性に優れた、先進シリコンテクノロジ 採用の IGBT、及びFRD デザイン・コンセプト ブートストラップ・ダイオードを統合し、VSピンが独 立している為、PCBレイアウトが容易 パワー素子の温度測定用にNTCサーミスタを統合 マイクロミニDIPパッケージを採用したモーションSPM製品 の設計目標の基本は、低消費電力で信頼性の高い小型モジュ ールを開発することであり、これは、新しく開発されたスリ ーインワン HVIC (高耐圧ゲートドライバIC)、 先進のシリコ ンテクノロジを採用し新しく開発されたIGBT、改良された セラミックサブストレート・トランスファーモールドパッケ ージ によって達成されました。新規マイクロミニDIP SPM パッケージは、サイズは既存のミニDIP SPMパッケージと比 較して40%削減され、さらに信頼性も改善されています。 同一パッケージで定格600V/5A から 20A に対応（同一 の物理的レイアウト） アドバンスト・セラミック・サブストレート・トランス ファーモールド・パッケージ採用による高信頼性 ゲートドライブおよび保護回路機能を備えたコントロー ル ICを搭載した３相IGBTインバータブリッジ 次に重要な特長はそれぞれのアプリケーションに向けライン アップを特化させたことです。 マイクロミニDIP SPM パッ ケージ採用のモーションSPM製品のターゲット・アプリケ ーションは、エアコン、洗濯機、冷蔵庫、ファンモータ 等、家庭電化製品のインバータ・モータドライバになりま す。 ハイサイド側： 制御電源電圧用低電圧保護 (UVLO)、 フォールト出力信号(VFO)無し - ローサイド側：制御電源電圧用低電圧保護 (UVLO)、外部シャント抵抗による短絡保護(SCP)、 フォールト出力信号(VFO)有り ソフト・ターンオフ機能付き短絡保護回路 単一グランド電源、HVICの採用でオプトカプラが不要 FNA4XX60X モーションSPMは、低いVCE(SAT) のIGBTを採用 することで、冷蔵庫あるいはエアコンのような低いスイッチ ング周波数（5KHz 以下）のアプリケーションに向いていま す。 省エネ対応、低消費電力ゲートドライブIC (HVIC/LVIC) アクティブHIGH ロジック入力採用で、スタートアップ 及びシャットダウン時における、制御電源（VCC）と信 号入力との間のシーケンスの制約を解決し、フェイルセ ーフ動作を提供。外部シーケンス・ロジック無しで、モ ーションSPM と 3.3V MCUまたはDSPとを直接接続する ことが可能。 FNB4XX60X モーションSPMは、低スイッチング損失 (ESW(ON), ESW(OFF)) のIGBT/FRDを用いることで、洗濯機、食 器洗い機、あるいはファンモータのような、より高いスイッ チング周波数（5KHz 以上）のアプリケ－ションに向いてい ます。 このように、設計スペックをより満足させる製品オプション を選択することができます。 小型パッケージ採用により、絶縁耐圧 2000Vrms (１分間) を実現 さらに３番目の特長は、パワーデバイス（IGBT、FRD）の 温度測定の為、NTCサーミスタを同じサブストレート上に統 合したことです。品質、信頼性、製品寿命を向上させる上 で、パワーデバイスの正確な温度を知る必要があります。モ ジュール内のパワーデバイス( IGBT, FRD)は非常に高い電圧 で動作している為、この要求を満たすには制約がありまし た。そこで、直接測定する代わりに外部にNTCサーミスタを 用いて、モジュールあるいはヒートシンクの温度が測定され てきました。この方法は、簡便で、コスト面で優位ではあり ますが、パワー素子そのものの温度を正確には測定できませ ん。マイクロミニDIP SPM パッケージでは、NTCサーミス タをパワー素子と同じサブストレートに統合することで、よ り正確にパワーデバイスの温度を測定することを可能にして います。 © 2009 Fairchild Semiconductor Corporation Rev. 2.0.1 • 11/3/11 - マイクロミニDIP SPMテクノロジ パワーデバイス マイクロミニDIP SPMに対する特性の改善は、主に、三相イ ンバータ回路に用いられているパワーデバイス（即ち、 IGBTとFRD）におけるテクノロジの進歩によるものです。 その設計目標は電力損失を削減し、電力密度を増加させるこ とにあります。 IGBT マイクロミニDIP SPMには、フェアチャイルドの新しい技術 が採用されています。先進のNPT（ノン・パンチスルー） IGBTテクノロジは、パッケージをそれぞれのモータコント ロール・アプリケーションで適正な安全動作領域(SOA)内に 保ち、オン時の導通損失、或いはターン・オン/オフ時に発 生するスイッチング損失を大幅に削減します。 www.fairchildsemi.com 2 AN-9070_JA アプリケーションノート 表 1.および 図 1. はFNA4XX60Xシリーズに採用されたアド バンストNPT(ノンパンチスルー) IGBTが、従来のPT (パンチ スルー) IGBT 及びNPT IGBTと比較し、チップサイズが30% 縮小されているにもかかわらず同等のDC特性を有している ことを示しています。シリコンテクノロジの進歩は、性能を 維持しながら、チップサイズの縮小を可能にしています。ア ドバンストNPT IGBT のスイッチング損失（特に、ターンオ フ・スイッチング損失）は、NPT IGBTと比較し60% 増加し ています。 従って、FNA4XX60Xシリーズ (アドバンスト NPT IGBT採用) はスイッチング周波数の低いアプリケーシ ョン、例えば、エアコン、冷蔵庫に適しています。 FNA4XX60Xシリーズでは、VCE(SAT)とIGBTのターンオフス イッチング損失ESW(OFF)の間にはトレードオフの関係がある ため、ESW(OFF)を犠牲にして低VCE(SAT) を実現しています。 FNB4XX60Xシリーズでは、既存のNPT IGBTの高速スイッ チングスピードを最大限引き出すことにより、ターンオン/ オフ・スイッチング損失(ESW(ON), ESW(OFF))を最小にしていま す。 表 1. コレクタ-エミッタ間飽和電圧 および IGBT ターンオン/オフ スイッチング損失 チップサイズ IGBT （相対値） VCE(SAT) [V] at IC=10A, VCC=15V TJ=25oC TJ=125°C ESW(OFF) [µJ], IC=10A, VCC=15V TJ=25°C TJ=125°C PT IGBT 10A 1.3 1.90 2.00 520 760 NPT IGBT 10A 1.3 1.60 1.85 240 330 アドバンストNPT IGBT 10A 1.0 1.60 1.75 360 580 図 1. IGBT別 コレクタ-エミッタ飽和電圧 VCE(SAT) の比較 図 2. IGBT別 ターンオフ時スイッチング損失(TJ=25℃, 125℃) の比較 © 2009 Fairchild Semiconductor Corporation Rev. 2.0.1 • 11/3/11 www.fairchildsemi.com 3 AN-9070_JA アプリケーションノート TJ = 25oC VIN(VH) : 5V/div TJ = 125oC IC : 2A/div VCE : 100V/div PT IGBT 10A NPT IGBT 10A Adv. NPT IGBT 10A PT IGBT 10A NPT IGBT 10A Adv. NPT IGBT 10A 図 3. IGBT別ターンオフスイッチング波形(TJ=25°C, 125°C) の比較 図 4. IGBTスイッチングテスト回路図 (スイッチング条件: VDC=300V, VCC=15V, CVBS=6.8μF, CVCC=220μF, 全ストレーインダクタンス<200nH) IGBT Turn-On Waveform VIN(VH) : 5V/div VCE : 100V/div IGBT Turn-Off Waveform VIN(VH) : 5V/div VCE : 100V/div IC : 5A/div IC : 5A/div Time : 200ns/div Time : 200ns/div 図 5. FNA41060 ターンオン、ターンオフ波形 （TJ=125°C） © 2009 Fairchild Semiconductor Corporation Rev. 2.0.1 • 11/3/11 www.fairchildsemi.com 4 AN-9070_JA アプリケーションノート また、アドバンストSTEALTH™ダイオードは、低い逆回復 電流 (IRM(REC)) 、及び通常動作条件における優れたソフトリ カバリ特性が特長です。 FRD FRDには、高耐圧、低フォワード電圧で、ソフトリカバリ特 性を備えたアドバンストSTEALTH™ダイオードを採用して います。 表 2 に、マイクロミニDIP SPMに用いられたアドバンスト STEALTH™ ダイオードと従来のミニDIP SPMパッケージの ウルトラファースト・ダイオードとの特性比較を示していま す。 アドバンストSTEALTHダイオードは、高い周波数、ハード スイッチング状態において、損失を低く抑えるよう最適化さ れています。 表 2. 特性比較：ウルトラファーストダイオード vs. アドバンストSTEALTHTM ダイオード テストコンディション (Tj=125℃) trr [ns] ウルトラファースト IF=1A, dIF/dt=100A/μs, VR=30V ダイオード IF=15A, dIF/dt=100A/μs, VR=390V TM アドバンストSTEALTH ダイオード ta [ns] tb [ns] ソフトネスファクタ Irr [A] 170.23 54.52 115.71 2.12 0.77 147.44 52.75 94.69 1.80 5.43 IF=1A, dIF/dt=100A/μs, VR=30V 168.54 49.09 119.45 2.43 0.67 IF=15A, dIF/dt=100A/μs, VR=390V 188.25 45.44 142.81 3.14 4.40 dIF/dtはVGEの振幅とRG によって、IFはt1とt2に よって制御されます。 図 6. trr テスト回路 図 7. trr 波形と定義 図 8. trr 波形比較：ウルトラファーストダイオード vs. アドバンストSTEALTH™ ダイオード 図 9. FRD 特性比較： 順方向電圧 VF （25℃, 125℃） © 2009 Fairchild Semiconductor Corporation Rev. 2.0.1 • 11/3/11 www.fairchildsemi.com 5 AN-9070_JA アプリケーションノート ゲートドライブ IC (HVIC, LVIC) パッケージ HVIC (高耐圧ゲートドライブIC)とLVIC (低耐圧ゲートドラ イブIC)は、低消費電力のインバータドライブ用に必要最小 限の機能に抑えて設計されました。 熱損失はパワーモジュールの電流能力を制限する主要な要素 であり、放熱特性はマイクロミニDIP SPMの性能を決定する 上で非常に重要です。放熱特性、パッケージサイズ、絶縁特 性の間にはトレードオフが存在します。優れたパッケージテ クノロジのキーポイントは、最適化されたパッケージサイズ で、絶縁特性を損ねることなく、優れた放熱特性を備えてい ることにあります。 HVIC ウルトラミニDIP SPMに統合されているスリーインワン HVICは、パッケージデザインを最適化する為、HVIC機能を 3組集積したデバイスです。HVICは高耐圧レベルシフト回路 を備えており、グラウンド基準のPWM信号を直接ハイサイ ド側の対応するIGBTゲート回路に伝えることが可能になり ます。その結果、インターフェースにオプトカプラを使用す る必要がなくなり、システムがより簡素化されます。 HVIC はVBSをモニタする低電圧保護回路(UVLO)を内蔵していま す。ブートストラップ・チャージポンプ回路はローサイド制 御回路に供給されるVCC バイアスとモーションSPMの外部で 接続されており、ハイサイドのゲートドライブに使用される パワーは全て制御電源グランドを基準とする15V制御電源か ら供給されることになります。ハイサイドIGBTゲートドラ イブの為に、従来のパワーモジュールを使ったインバータシ ステムで必要とされていた、3組の絶縁された電圧源を用意 する必要はありません。HVICテクノロジの進歩は、ウェハ プロセスの微細化によるチップサイズの縮小を可能にしてい ます。 HVICのロジック入力は、標準3.3/5.0V CMOS/LSTTLとコン パチブルです。HVICに使用されている高耐圧プロセスと、 同相ノイズキャンセル技術により、dv/dtノイズが高い環境 でも、ハイサイドドライバは安定に動作します。さらに、 HVICは、高dv/dtによるラッチアップ等の誤動作防止機能も 備えています。 マイクロミニDIP SPMでは、優れた放熱特性を持つセラミッ クを外部に露出させ、それをリードフレームに直接貼り付け る技術を開発しました。この技術はすでにミニDIP SPMに採 用されていますが、新規の接着方法によって改良されていま す。この結果、コストパフォーマンスを保ちつつ、信頼性、 放熱特性の改善が実現しました。 図 10. にマイクロミニDIP SPM パッケージの外形図と、断面 図を示します。 銅ワイヤ Cu Wiring LVIC マイクロミニDIP SPMパッケージには新しく開発された低待 機電力のLVICが採用され、そのロジック入力レベルは 3.3/5.0V CMOS/LSTTLコンパチブルです。 LVIC はVCCをモ ニタする低電圧保護回路(UVLO)、また、内部パワーデバイ ス保護の為、短絡保護回路(SCP)、及び過電流保護回路 (OCP)を内蔵しています。 B/D アルミワイ Al Wiring ヤ リードフレ Lead Frame ム IC IGBT FRD セラミック絶縁体 Ceramic (Isolation material) Adhesive material 接着剤 EMC(Epoxy Molding Compound) エポキシモールドコンパウンド 図 10. マイクロミニDIP SPMパッケージ © 2009 Fairchild Semiconductor Corporation Rev. 2.0.1 • 11/3/11 www.fairchildsemi.com 6 AN-9070_JA アプリケーションノート 外形とピン配置 外形図 図 11. SPM26-AAA, ショートリード、ノーマル・フォーミング オプション © 2009 Fairchild Semiconductor Corporation Rev. 2.0.1 • 11/3/11 www.fairchildsemi.com 7 AN-9070_JA アプリケーションノート 図 12. SPM26-AAB, ショートリード、 制御信号及びN端子ダブルフォーミング © 2009 Fairchild Semiconductor Corporation Rev. 2.0.1 • 11/3/11 www.fairchildsemi.com 8 AN-9070_JA アプリケーションノート 図 13. SPM26-AAC, ロングリード、ノーマルフォーミング © 2009 Fairchild Semiconductor Corporation Rev. 2.0.1 • 11/3/11 www.fairchildsemi.com 9 AN-9070_JA アプリケーションノート 図 14. SPM26-AAD, ロングリード、 制御信号端子ダブルフォーミング © 2009 Fairchild Semiconductor Corporation Rev. 2.0.1 • 11/3/11 www.fairchildsemi.com 10 AN-9070_JA アプリケーションノート 入出力ピン定義 表 3にマイクロミニDIP SPMパッケージを使用したモーショ ンSPM製品の入力および出力ピンを示します。 端子# 名称 機能 23 VS(V) ハイサイドV相 IGBT駆動電源グラウン ド 24 VB(V) ハイサイドV相 IGBT駆動電源 25 VS(U) ハイサイドU相 IGBT駆動電源グラウン ド 26 VB(U) ハイサイドU相 IGBT駆動電源 ハイサイドIGBT駆動電源端子/ ハイサイド IGBT駆動 電源グラウンド端子 ►端子名: VB(U)-VS(U), VB(V)-VS(V), VB(W)-VS(W) これらの端子はハイサイド側IGBTをドライブするゲー ト電圧を供給するピンです。 図 15. ピン配置 ハイサイドIGBTをドライブする際、ブートストラップ 回路に外部電源を必要としません 表 3. 端子説明 それぞれのブートストラップ・コンデンサは、対応する ローサイドIGBTがオンしている期間にVCCから充電さ れます。 端子# 名称 機能 1 VTH サーミスタ・バイアス電圧 2 RTH サーミスタ直列抵抗 （温度検出用） 3 P ポジティブ DCリンク入力 4 U U 相出力 5 V V 相出力 ローサイド制御電源電圧端子 / ハイサイド制御電源電 圧端子 6 W W 相出力 ►端子名: VCC(L), VCC(H) 7 NU U相ネガティブ DCリンク 8 NV V相ネガティブ DCリンク これらのピンは内部ICに供給される制御電源用端子で す. 9 NW W相ネガティブ DCリンク これら二つのピンは外部で接続して下さい。 10 CSC 短絡保護回路フィルタ用コンデンサ 11 VFO フォールト出力 12 IN(WL) ローサイド W相信号入力 電源電圧のリップル或いはノイズによる誤動作を防ぐた め、高品質(低ESR, 低ESL)のフィルタコンデンサをこれ らの端子近くに接続して下さい。 13 IN(VL) ローサイド V相信号入力 14 IN(UL) ローサイド U相信号入力 15 COM コモングラウンド電源 16 VCC(L) ローサイド制御電源 17 VCC(H) ハイサイド制御電源 18 IN(WH) ハイサイド W相信号入力 19 IN(VH) ハイサイド V相信号入力 20 IN(UH) ハイサイド U相信号入力 21 VS(W) ハイサイドW相 IGBT駆動電源グラウン ド 22 VB(W) ハイサイドW相 IGBT駆動電源 © 2009 Fairchild Semiconductor Corporation Rev. 2.0.1 • 11/3/11 電源電圧のリップル或いはノイズによる誤動作を防ぐた め、高品質(低ESR, 低ESL)のフィルタコンデンサをこれ らの端子近くに接続して下さい。 ローサイド共通電源グラウンド端子 ►端子名: COM モーションSPM の共通電源グラウンドは、内部の制御 ICのグラウンド端子に接続されます。 重要！ ノイズによる悪影響を防ぐ為、メイン電源の電 流がこのピンを通過して流れることは禁止です。 www.fairchildsemi.com 11 AN-9070_JA アプリケーションノート 制御信号入力端子 サーミスタ・バイアス電圧 ►端子名: IN(UL), IN(VL), IN(WL), IN(UH), IN(VH), IN(WH) ►端子名: VTH これらの端子は内部IGBTの動作を制御します。 内部サーミスタのバイアス電圧用端子です。 5V ロジッ ク用電源に接続して下さい。 電圧入力信号によって駆動されます。これらの入力端子 は内部で5VクラスのCMOSで構成されるシュミットト リガ回路に接続されます。 サーミスタ抵抗（温度検出） ►端子名: RTH これらのロジック信号の論理はアクティブHIGHです。 入力端子に十分なロジックレベルの電圧が加えられた時 点で、それぞれ対応したIGBTはオンします。 ケース温度 (TC) 検出のため、このピンを外部抵抗に接 続して下さい それぞれのアプリケーションの規格に則した検出レベル を満足する抵抗値を選択してください。 （詳細は 図 42. それぞれの入力ピンへの経路は、モーションSPMをノ イズから守るためにできるだけ短くして下さい。 参照） 発振を防ぐため、図 32. に示すようなRCカップリング 回路を付加することを推奨します。 ポジティブ DCリンク端子 ►端子名: P 短絡保護電流検出端子 インバータのポジティブ DCリンク電源端子です。 ►端子名: CSC 内部でハイサイド IGBTのコレクタに接続されます。 短絡電流を検出する為の電流検出用シャント抵抗は、 CSC ピンに接続されるRCフィルタの入力側とコモング ランドピン(COM)間に接続して下さい。（ 図 20. 参 照）. DCリンクの配線、または PCB 上のパターンによるイン ダクタンスにより発生するサージ電圧を抑えるため、こ の端子近くにフィルタコンデンサを接続して下さい。 （通常、メタルフィルムコンデンサが使用されます。） それぞれのアプリケーションに則した検出レベルを満足 するシャント抵抗値を選択して下さい。 ノイズを防ぐため、RCフィルタを CSCピンに接続して 下さい。 ネガティブDCリンク端子 ►端子名: NU, NV, NW インバータのネガティブDCリンク電源端子です（パワ ーグラウンド）。 シャント抵抗は出来るだけCSCピンに近づけて接続して 下さい。 内部でそれぞれのフェーズのローサイドIGBTのエミッ タに接続されます。 フォールト出力信号端子 ►端子名: VFO インバータ出力端子 この端子はフォールト警告出力ピンです。SPMに異常 が発生した場合、アクティブLowで出力されます。 ►端子名: U, V, W 負荷（例えば、モータ）が接続されるインバータ出力端 子。 短絡保護回路(SCP)、及びローサイドバイアス 低電圧保 護回路(UVLO)に異常を検出した場合警告されます。 VFO 出力はオープンドレインです。VFO 信号ラインは 4.7kΩ抵抗を介してロジック用5V電源に接続して下さ い。 © 2009 Fairchild Semiconductor Corporation Rev. 2.0.1 • 11/3/11 www.fairchildsemi.com 12 AN-9070_JA アプリケーションノート 内部回路 図 16. にマイクロミニDIP モーションSPMのブロックダイア グラムを示します。 モーションSPMは三相IGBTインバータ パワーブロック、 2個の制御用ドライバIC、 1個の温度検出 用NTCサーミスタ、そして、3個のブートストラップ・ダイ オードで構成されます。 マーキング情報 図 17. マーキング情報 表 4. パッケージオプション サフィック ス サブストレー ト NTC サーミスタ オプション A セラミック 有り 標準 B セラミック 有り 高速 D セラミック なし 標準 E セラミック なし 高速 図 16. 内部ブロック図 © 2009 Fairchild Semiconductor Corporation Rev. 2.0.1 • 11/3/11 www.fairchildsemi.com 13 AN-9070_JA アプリケーションノート 主要パラメータ別デザインガイド 短絡保護回路 (SCP) マイクロミニDIP SPMは短絡電流検出の為、図 18. に示すよ うに外付けのシャント抵抗を使用します。LVICには、短絡 電流検出回路が内蔵されていてCSCピンに発生する電圧を検 出し、その電圧がデータシートに記載されている 短絡時の しきい値、又はトリップ電圧、VSC(REF) (0.5V_typ) を超えた 場合、フォールト信号が出力され、すべてのローサイド側 IGBTはオフになります。一般的に最大短絡電流の値はゲー ト電圧に依存します。ゲート電圧 (VCC 及びVBS) が高いと、 結果的に短絡電流値も高くなります。これにより発生する問 題を避けるため、短絡保護回路の最大トリップ電圧は短絡電 流値が定格コレクタ電流の 1.7倍以下になるように設定しま す。LVIC短絡保護機能のタイミングチャートを 図 19. に示 します。 図 18. 短絡保護回路動作 ローサイド 制御信号入力 ソフトターンオフにより、スパ イクを低減（L*di/dtによる影 保護回路 ステータス 響を避ける） 内部IGBT ゲート電圧 外部フィルタ遅延 ＋ 内部IC遅 延 ＋ IGBT オフ遅延 ＜SCWT (2 ～3uS_typ) 時定数 1 ～2uS の外部フィルタ が必要 出力電流 ICフィルタリング＜ 500nS シャント抵抗 に発生するセ ンス電圧 30uS(min), 60uS(typ) フォールト出力パルス幅(tFOD): フォールト出力 図 19. 短絡保護回路タイミングチャート 注: C1. 通常状態： IGBT がオン、電流が流れる C2. 短絡電流検出 (短絡保護回路トリガ) C3. IGBT ゲートハード遮断 C4. IGBT がオフ C5. フォールト信号出力タイマー動作開始： フォールト信号オン期間 (tFOD) = 30μs(min) C6. 入力 “L”: IGBTをオフにする制御信号 C7. 入力 “H”: IGBTをオンにする制御信号；但しフォールト信号出力がオンの間、IGBTはオンしない C8. IGBTはオフ状態 © 2009 Fairchild Semiconductor Corporation Rev. 2.0.1 • 11/3/11 www.fairchildsemi.com 14 AN-9070_JA アプリケーションノート シャント抵抗の選択 図 20. にシャント抵抗１個を使った短絡保護の回路例を示 します。ネガティブDCリンク側のライン電流が検出され、 検出電圧がRCフィルタを通して現れます。電流が短絡保護 のトリップレベルを超えた場合、 ローサイドの三相すべて のIGBTはオフ状態になり、フォールト信号出力VFO がMCU に対して出力されます。 短絡保護機能は繰り返して出力さ れない為、一度VFO 信号が出力された場合は、IGBT動作を 直ちに中断してください。 シャント抵抗値の計算例： FNA41560、シャント抵抗誤差： ±5%. 表 5. 短絡保護 トリップレベル (VSC(ref))の規格 Conditions o TJ =25 C, VCC =15V Min. Typ. Max. Unit 0.45 0.50 0.55 V 表 6. 短絡動作時電流範囲 (RSHUNT=24.4mΩ (min.)(1), 25.7mΩ (typ.), 27.0mΩ (max.)) Conditions o TJ =25 C Min.(2) Typ.(3) Max.(4) Unit 16.66 19.43 22.50 A Notes: 1. RSHUNT(min): VSC(max)/ISC(max) = 0.55 / 22.5 = 24.4mΩ. 2. ISC(min): VSC(min)/RSHUNT(max) = 0.45 / (0.0244/0.95x1.05) = 16.66A. 3. ISC(typ): VSC(typ)/RSHUNT(typ) = 0.50 / (0.0244/0.95) = 19.43A. 4. 最大短絡電流トリップレベル: 1.5 x IC = 1.5 x 15 = 22.5A. 図 20. シャント抵抗１個を使用した短絡保護回路例 シャント抵抗定格電力の計算例： シャント抵抗の値は以下のように計算できます。 インバータの最大負荷電流(Irms): 5Arms 最大短絡電流トリップレベル： シャント抵抗(RSHUNT)値 (TC=25oC): 24.8mΩ ISC(max)=1.5 x IC(定格電流) シャント抵抗ディレーティング比(TSHUNT=100oC): 70% ( 図 21. 参照) (1) 短絡保護トリップ電圧： VSC=0.45(min), 0.5V(typ), 0.55V(max) マージン: 20% (2) 2 PSHUNT : (I rms X RSHUNT X マージン)/ディレーティング比 = 2 (7) (5 X 0.0248 X 1.2)/0.7 = 1.1W シャント抵抗値： ISC(max)=VSC(max)/RSHUNT(min) RSHUNT(min)=VSC(max)/ISC(max) (3) 従って、シャント抵抗の適正な定格電力は2.0W以上 シャント抵抗値のバラツキが ±5%以内とすると： RSHUNT(typ) = RSHUNT(min)/0.95, RSHUNT(max) = RSHUNT(typ) X 1.05(4) 実際の短絡トリップ電流値は： ISC(typ)=VSC(typ) / RSHUNT(typ), ISC(min) = VSC(min) / RSHUNT(max) (5) 抵抗の定格電力は次式より求めることができます： PSHUNT = (I2RMS X RSHUNT X マージン) / ディレーティング比 ここで、 Irms ：インバータの最大負荷電流 (6) RSHUNT ：シャント抵抗値 （TC=25oC ） ディレーティング比： TSHUNT=100oC 時のシャント抵抗の 値からのディレーティング比 （シャント抵抗のデータシート参照） 図 21. シャント抵抗ディレーティングカーブ例 （RARA Electronics より） マージン：お客様で設定するマージン © 2009 Fairchild Semiconductor Corporation Rev. 2.0.1 • 11/3/11 www.fairchildsemi.com 15 AN-9070_JA アプリケーションノート VIN: VCSC: LOUT: ISC: VFO: 内部遅延時間の時定数 ノイズにより短絡保護回路が誤動作することを防ぐ為、RC フィルター （ 図 20. のRFCSC を参照 ）が必要です。 RC 時 定数は加わるノイズの期間と、モーションSPM製品の短絡 電流耐久時間(SCWT)によって決まります。 信号入力電圧 CSC 端子電圧 ローサイドIGBTのVGE 短絡電流 VFO 端子電圧 シャント抵抗に発生する電圧が短絡保護トリップレベルを超 えた場合、この信号はRCフィルターを介してCSC 端子に加 わります。RC フィルター遅延時間(T1)はCSC 端子電圧がト リップレベルまで上昇するのに必要な時間です。表 7 にトリ ップレベルのスペックを示します。LVIC は内部にフィルタ ー期間を設けています（ノイズ除去の為のロジック・フィル ター期間 ：T2）。 従って、VCSC のRCフィルターを設計す る際には、このフィルター期間を考慮する必要があります。 表 7. 短絡保護 トリップレベル (VSC(ref)) の規格 条件 Min. Typ. Max. 単位 TJ =25 C, VCC =15V 0.45 0.50 0.55 V o 図 22. タイミング・ダイアグラム 注: T1: CSC端子に接続される外部RCフィルタによる遅延時間 T2: CSC端子内部ロジック・フィルター期間； VCSC 幅がT2 以下では SCP は動作しません T3: CSCトリガからゲート電圧立下りまでの遅延時間 T4: CSCトリガから短絡電流オフ までの遅延時間 T5: CSCトリガからフォールト信号出力がアクティブになる までの遅延時間 表 8. 短絡保護回路のタイミング: VCSC から LOUT, ISC, VFOまで デバイス名 FNA40860 Typ. （TJ=25oC） Typ. （TJ=150oC） T2 = 0.40μs T2 = 0.30μs T3 = 0.65μs T3 = 0.60μs T4 = 0.80μs T4 = 0.75μs T5 = 1.20μs T5 = 1.75μs Max. （TJ=25oC） +20% T4=1.0μs 注: 5. 全動作条件範囲で短絡保護回路の安全な動作を確実にするため、CSC は短絡状態が発生した後 1.0μs 以内にトリガされる ようにして下さい。 (SCWT < 2.0μs, 条件：VDC=400V, VCC=16.5V, TJ=150oC, FNA40860データシートより). 6. 短絡発生からCSC がトリガされるまでの時間は出来る限り短くして下さい。. © 2009 Fairchild Semiconductor Corporation Rev. 2.0.1 • 11/3/11 www.fairchildsemi.com 16 AN-9070_JA アプリケーションノート 図 23. と 図 24. に短絡保護回路(SCP)機能の波形を示しま す。 通常、CSCに接続されるRCフィルターの時定数は、ISC のdi/dt が速い為、波形に正確には現れません。 従って、CSC のRCフィルターの時定数を決める時は注意が必要です。 一 方、過電流保護回路(OCP)では、時定数 は正確に現れま す。 ソフト・ターンオフ LVIC は、短絡時のハード遮断の際、VPN電源による過電圧 からローサイドIGBTを保護する為、ソフト・ターンオフ機 能を備えています。“短絡時のハード遮断“ とは短絡発生 時、短絡保護回路が動作する前に IGBTは、短いパルスの入 力信号によりオフになることを言います。この際、ISCの di/dt は急激に上昇し、これによるVPN の急激な上昇は過電圧 によるIGBT の破壊を引き起こします。 ソフト・ターンオフ 機能は IGBTのVGEを緩やかに放電させることで、IGBT の急 激なターンオフを防ぎます。 LVICのブロック図と、ソフト・ターンオフ機能の動作シー ケンスを 図 25. と図 26. に示します。UVLO とSCPの二つの 保護回路が内蔵されています。通常状態で IGBT がオフする 場合は、LVIC が ゲートドライバ・ブロックからのゲート 信号(VIN_L)をオフにし、その結果 IGBTは直ちにオフになり ます。（プリドライバがゲートドライバ・ブロックの出力バ ッファをオンにする。図 26. の経路 ① ） 一方、IGBT が保 護回路の動作によってオフする場合、ゲートドライバは保護 回路によって無効になり（出力バッファは無効になりハイイ ンピーダンス状態) 、保護回路の出力はソフト・ターンオフ 回路のスイッチをオンにします。そしてVGE は緩やかに放電 されます（図 26. の経路 ② ) 図 23. 短絡保護回路動作波形（Tj=25℃） (RCフィルター時定数 : 2μs (RSC=62[Ω], CSC=33[nF]), RSHUNT=40[mΩ]) 図 24. 短絡保護回路動作波形（Tj=150℃） (RCフィルター時定数: 2μs (RSC=62[Ω], CSC=33[nF]), RSHUNT=40[mΩ]) 図 25. 内部ブロック図 以上より、短絡保護回路トリップ電流検出から、IGBTのゲ ートがオフされるまでのトータル時間 TTOTALは： TTOTAL= RCフィルタによる遅延時間 (T1) + CSCトリガから短 絡電流オフ までの遅延時間(T4) (8) 即ち、全遅延時間TTOTAL はSCWT以内にすべきです。 SCWT > TTOTAL (T1 + T4) (9) ここで、SCWT = 短絡電流耐久時間 RC フィルターの時定数は、ほぼ全ての動作条件で破壊を防 ぐことができるよう、1.0 ~ 2.0μs に設定することを推奨しま す。 図 26. ソフトターンオフ動作 © 2009 Fairchild Semiconductor Corporation Rev. 2.0.1 • 11/3/11 www.fairchildsemi.com 17 AN-9070_JA アプリケーションノート o 図 27. に、VPN=450V、TJ=25および 150 Cの条件の時、通常 動作時の動作を示します。 P N 端子間のサージ電圧 (VPN(Surge)) は500V以下に抑えられ、問題なくターンオフ・ス イッチング動作が行われている状態を示しています。 VPN(SURGE) @ TJ=25o C VPN(SURGE) @ TJ=150o C 図 28. に、ハード・ターンオフとソフト・ターンオフのスイ ッチング波形の違いを示します。IGBTがハード・ターンオ フした場合、大きな(100V程度まで)オーバーシュートが発生 しています。即ち、モーションSPMを保護するには DCリン クコンデンサへの電源電圧は400V以下に制限する必要があ ります。2μs以内の期間を持つハード・ターンオフ動作は短 絡故障につながる可能性があります。これに対し、通常の短 絡故障では、保護回路が動作し、IGBTを緩やかにオフさ せ、余分なオーバーシュート電圧の発生を防ぎます。 この 状態で、オーバーシュート電圧は40~70Vです。 IC=2.0[A/div] IC @ TJ=25o C IC @ TJ=150o C VPN =100[V/div] 図 27. と 図 28. は安全動作領域テストでの実験結果であり、 モーションSPM 製品はここに記述されたような条件では動 作させないようにして下さい。 Time [200ns/div] 図 27. FNA40860 通常時ターンオフ波形 VPN=450V, TJ=25, 150oC TJ=150 [oC] VPN(SURGE) @ Hard-Off, ΔVPN =100V VPN(SURGE) @ Soft-Off, ΔVPN =70V VPN =100[V/div] IC @ Hard-Off IC @ Soft-Off IC=20[A/div] Time [200ns/div] 図 28. FNA40860 短絡時タンオフ波形 VPN=400V, TJ=150oC © 2009 Fairchild Semiconductor Corporation Rev. 2.0.1 • 11/3/11 www.fairchildsemi.com 18 AN-9070_JA アプリケーションノート 表 9. 絶対最大定格の詳細 (FNA40860の場合) 項目 記号 定格 電源電圧 VPN 450V P-N 間に加えることが可能な最大直流電圧 (スイッチング動作 が無い状態) 。もしP-N 電圧がこの値を超えるようであれば、 何らかの制限回路が必要。 電源電圧 (サージ) VPN(surge) 500V P-N 間に発生する最大サージ電圧(スイッチング動作時)。もし P-N 電圧がこの値を超えるようであれば、スナバ回路が必要。. コレクタ・エミッタ間電圧 VCES 600V 内蔵IGBTコレクタ・エミッタ間最大電圧 IGBT コレクタ電流 ±IC 8A TJ 接合温度 保護回路動作時電源電圧 ( 短絡保護耐量) 説明 IGBT最大連続DCコレクタ電流（TC=25oC） -40~150oC モーションSPM に内蔵されているパワーデバイスの定格最大接 合温度は150oCですが、モーションSPMの安全な動作を確保す o る為に、平均接合温度は125 C 以下に制限して下さい。IGBT及 o びFRD デバイスは TJ=150 Cで直ちに損傷はしませんが、その パワーサイクル寿命は減少します。 400V VCC=13.5 ~ 16.5V、非繰り返し、2μs 以内の条件で、短絡また は、過電流状態になった場合、IGBTを安全にオフさせることが できる最大電源電圧。もし電源電圧がこの値を超えた場合、パ ワーデバイスは損傷する可能性があります。 VPN(PROT) フォールト出力 表 10. フォールト出力最大定格 項目 記号 条件 定格 単位 フォールト出力電源電圧 VFO VFO-COM間に印加される電圧 -0.3~VCC+0.3 V フォールト出力電流 IFO VFO 端子のシンク電流 1.0 mA 表 11. 電気的特性 項目 記号 条件 Min. フォールト出力 VFOH VSC=0V, VFO 端子は4.7kΩで5V にプルアップ 4.5 電圧 VFOL VSC=1V, VFO 端子は4.7kΩで5V にプルアップ Typ. Max. 単位 V 0.5 V 0.30 o TJ=150[ C] VFO 端子はオープンドレイン出力ですので、抵抗を介して 0.25 5V または15V にプルアップして下さい。抵抗値は上記のス ペックを満足する必要があります。 VFO [V] 0.20 0.15 0.10 0.05 0.00 0.0 0.2 0.4 IFO [mA] 図 29. VFO 端子 © 2009 Fairchild Semiconductor Corporation Rev. 2.0.1 • 11/3/11 0.6 0.8 1.0 電圧-電流特性 www.fairchildsemi.com 19 AN-9070_JA アプリケーションノート 電圧低下保護回路 （UVLO） LVIC は電圧低下保護回路(UVLO)を備え、十分なゲートドライブ電圧が得られない状況からローサイドIGBTを保護します。 図 30. にこの保護回路のタイミングチャートを示します。 制御信号入力 ノイズによる誤動作を防 ぐ為、時定数15uS(typ)の フィルタ内蔵 保護回路 ステータス 制御電源電圧 入力信号の立ち上が りエッジのタイミン グでIGBTはオンにな る。（エッジトリ ガ） フォールト出力パルス幅 (tFOD)：Vccの値が回復す るまでLowを維持 出力電流 ローサイド側のすべての IGBTはフォールト出力が アクティブの間、オフを 維持 フォールト 出力 図 30. ローサイド 電圧低下保護回路タイミングチャート 注釈: a1. 制御電源電圧が上昇：電圧が UVCCRに達した後、次の制御信号入力で回路は動作を開始する。 a2. 通常動作： IGBT がオンし、電流が流れる。 a3. 電圧低下を検出(UVCCD) a4. 制御信号が入力されているが、IGBTはオフになる。 a5. フォールト出力がアクティブになる。 a6. 電圧低下保護回路リセット (UVCCR) a7. 通常動作: IGBTがオンし、電流が流れる。 HVIC は電圧低下保護回路を備えており、十分なゲートドライブ電圧が得られない状況からハイサイドIGBTを保護します。 保護回路の動作のタイミングチャートを図 31. に示します。アラーム信号VFOは HVICのバイアス電圧が低い状況であっても 出力されません。 制御信号入力 ノイズによる誤動作を防 ぐ為、時定数15uS(typ)の フィルタ内蔵 保護回路 ステータス 制御電源電圧 ローサイド側のすべての IGBTはオフを維持。但 し、フォールト出力はア クティブにはならない 出力電流 フォールト 出力 図 31. ハイサイド 低電圧誤動作防止回路タイミングチャート Notes: b1. 制御電源が上昇：電圧値がUVBSRに達すると、次の制御入力信号が入ったタイミングで回路は動作を開始します。 b2. 通常動作： IGBTはオンになり電流が流れます。 b3. 低電圧検出(UVBSD) b4. 入力信号の状態にかかわらずIGBT はオフ。しかし、フォールトは出力されません。 b5. 電圧低下保護回路リセット (UVBSR) b6. 通常動作： IGBTはオンになり電流が流れます。 © 2009 Fairchild Semiconductor Corporation Rev. 2.0.1 • 11/3/11 www.fairchildsemi.com 20 AN-9070_JA アプリケーションノート 表 12. UVLO 規格 記号 パラメータ UVCCD 条件 Min. Max. 単位 検出レベル 10.5 13.0 V UVCCR 電源供給 リセットレベル 11.0 13.5 V UVBSD 電圧低下保護回路 検出レベル 10.0 12.5 V リセットレベル 10.5 13.0 V UVBSR 入力回路 (VIN(H), VIN(L)) 図 32. に MCU とモーションSPM 製品間の入出力インター フェースを示します。モーションSPMの入力ロジックは ア クティブHIGH で、プルダウン抵抗を内蔵しているため、外 部にプルダウン抵抗は不要です。 図 33. 信号入力端子 モーションSPMマイクロミニDIP ファミリはアクティブ HIGH 入力ロジックを採用しています。これにより制御電圧 と入力信号でのスタートアップあるいはシャットダウン時に おけるシーケンスの制約がなくなり、システムはフェイルセ ーフ動作となります。加えて、それぞれの入力端子には内部 にプルダウン抵抗がある為、外部にプルダウン抵抗を必要と せず、部品点数を減らすことができます。モーションSPM の入力にはノイズフィルターがあり、短いパルスのノイズを 抑え、IGBTの誤動作を防ぎ、スイッチング損失を低減しま す。さらに、表 14に示すように、入力回路の立ち上がり、 立下りのしきい値を低くしてある為、3.3V動作のMCU また はDSP と直接接続することも可能です。 図 32. 推奨CPU I/O インターフェース 表 13. 入力およびフォールト出力端子最大定格 項目 記号 条件 定格 単位 制御電源電圧 VCC VCC(H)-COM間 VCC(L)-COM間 20 V VIN IN(UH), IN(VH), IN(WH)-COM間 IN(UL), IN(VL), IN(WL)-COM間 -0.3 ~ VCC +0.3 V VFO-COM間 -0.3 ~ VCC +0.3 V 入力信号 フォールト信 号出力電圧 VFO 表 14. 入力しきい値 (VCC=15V, TJ=25oC) 項目 入力オン しきい値 入力オフ しきい値 制御入力とフォールト出力の最大定格を表 13に示します。 フォールト出力はオープンドレインなので、最大定格は VCC+0.3Vで、15V電源でのインターフェースも可能ですが、 入力信号と同じように5V ロジックで使用されることを推奨 します。 また、MCUとモーションSPMの両側で、VFO 出力 と入力信号に対して、デカップリング・コンデンサをそれぞ れのデバイスの近傍に接続して下さい。 それぞれの入力で のRCカップリング( 図 32. 破線でに示す)は、そのアプリケ ーションで使用するPWM制御回路、あるいは配線インピー ダンスに依存します。 © 2009 Fairchild Semiconductor Corporation Rev. 2.0.1 • 11/3/11 記号 VIN(ON) VIN(OFF) 条件 IN(UH), IN(VH), IN(WH)-COM IN(UL), IN(VL), IN(WL)-COM Min. Max. 単位 2.6 0.8 V V 図 33. に示すように、モーションSPMマイクロミニDIPファ ミリは入力には5kΩ (typical) ののプルダウン抵抗が内蔵され ています。従って、MCU出力とモーションSPM入力の間に 外部のフィルター用抵抗を接続する場合、信号レベルの低下 により、モーションSPMの入力オンしきい値スペックを満 たしているか注意が必要です。図 32. に、R=100Ω、C=1nF を使用した例を破線で示します。 www.fairchildsemi.com 21 AN-9070_JA アプリケーションノート ブートストラップ回路設計 ブートストラップ・コンデンサの初期充電 ブートストラップ回路の動作 初期状態で、ブートストラップ・コンデンサを十分に充電す るには、ローサイドIGBTが適切な期間オンする必要があり ます。初期充電時間 (tcharge) は、以下の式で得られます： VB(U,V,W) と VS(U,V,W),間の電圧差であるVBS がマイクロミニ DIPモーションSPM内部のHVICにドライブ電源を供給しま す。この供給電圧は 13.0V~18.5V の範囲にあり、HVICがハ イサイドIGBTを十分にドライブできる値です。マイクロミ ニDIP SPM はVBS に対して電圧低下保護回路を備えており、 もしVBS が規格電圧に満たない場合は、HVICがハイサイド IGBTをドライブしないようにします。 (データシート参照). この機能により、IGBTが高い電力損失で動作することを防 ぎます。 t ch arg e C BS R BS VCC 1 In VCC VBS (min) VF VLS (10) ここで： VF = ブートストラップダイオードの順方向電圧； VBS(min) = ブートストラップコンデンサ最小値； VLS = ローサイドIGBT または 負荷 に発生する電圧 δ = PWM デューティレシオ VBS のようなフローティング電源は、ここで説明するブート ストラップ( 図 34. 参照) を含めていくつかの方法で実現でき ます。この方法は、シンプルで低コストであることが特長で すが、ブートストラップコンデンサを充電するのに必要とす るデューティサイクルとオン期間に制約があります。ブート ストラップ電源は図 35. と 図 36. に示すように、ブートスト ラップ・ダイオード、抵抗、コンデンサを組み合わせで構成 されます。図 35. に、ブートストラップ回路での電流経路を 示します。VS が（ローサイドIGBTまたは負荷いずれかによ って）グランドレベルに引き落とされると、ブートストラッ プコンデンサ(CBS)はブートストラップ・ダイオード(DBS)及 び抵抗(RBS)を介してVCC電源から充電されます。 図 35. ブートストラップ回路 図 34. HVIC電源(VBS) 供給の為の ブートストラップ回路 初期充電の為、スイッチン グ、或いは常時オンを選択 図 36. ブートストラップ充電タイミングチャート 図 37. 、図 38. にブートストラップコンデンサ初期充電の実 際の波形を示します。 © 2009 Fairchild Semiconductor Corporation Rev. 2.0.1 • 11/3/11 www.fairchildsemi.com 22 AN-9070_JA アプリケーションノート ローサイドIGBTがスイッチングしている 図 37. ブートストラップ回路 初期動作波形 （条件: VDC=300V, VCC=15V, CBS=22μF, ローサイドIGBTのターンオン・デューティ=200μs） ローサイドIGBTがフル・ターンオン 図 38. ブートストラップ回路 初期動作波形 （条件: VDC=300V, VCC=15V, CBS=22μF, ローサイドIGBT はフルターンオン） © 2009 Fairchild Semiconductor Corporation Rev. 2.0.1 • 11/3/11 www.fairchildsemi.com 23 AN-9070_JA アプリケーションノート ブートストラップ・コンデンサの選択 ブートストラップコンデンサ計算例 ブートストラップ・コンデンサの値は、次式により求まり ます： C BS I t Leak VBS ILeak = 2.0mA （推奨値） ΔVBS = 0.1V （推奨値） (11) Δt = 0.2ms. （システムで異なる値） ここで： Δt = ハイサイド IGBTの最大オンパルス幅 ΔVBS = CBSの放電許容電圧 (リップル電圧) ILeak = CBSの最大放電電流 CBS _ min ILeak t 2mA 0.2ms 4.0 10 6 VBS 0.1V (12) →2~3 倍のマージン→ 8µF. 注： 7. このコンデンサの値はスイッチング周波数、使用され るコンデンサ、及び13.0~18.5V（データシートよ り）の範囲で推奨されるVBS 電圧の値に応じて変更す ることが可能です。 上記の結果は計算例を示したも ので、この値は実際の制御方式および部品の寿命によ り変更することができます。 主に以下に示すような要素に影響を受けます。 ハイサイドIGBTをオンにするゲートチャージ HVICのハイサイド側回路で消費される静電流 HVICの中のレベルシフト回路で必要とされるチャー ジ ブートストラップダイオードのリーク電流 ブートストラップコンデンサCBSのリーク電流（電解 コンデンサ以外の場合は無視できる） ブートストラップダイオードの逆回復電荷 実際に、マイクロミニDIPモーションSPMファミリでは ILeak として2mAが推奨される値です。バラツキと信頼性を 考慮して、コンデンサの値は計算値の2~3倍を選択しま す。CBS はハイサイドIGBTがオフし、VS がグランドに引 き落とされた時のみ充電されます。従って、コンデンサ CBSから放電されたチャージを十分に補給されるようにロ ーサイドIGBTのオン期間は十分大きくする必要がありま す。即ち、ローサイドIGBTには固有の最小オン期間（或 いは、ハイサイドIGBTにとってのオフ期間）がありま す。 図 39. スイッチング周波数による ブートストラップコンデンサの値の変化 © 2009 Fairchild Semiconductor Corporation Rev. 2.0.1 • 11/3/11 www.fairchildsemi.com 24 AN-9070_JA アプリケーションノート 内蔵ブートストラップダイオード ハイサイドIGBT または FRD が導通している時、ブートス トラップダイオード(DBS)には全電圧がかかります。従って 耐圧600V 以上のものを推奨します。また、ブートストラッ プコンデンサからVCC へのチャージの戻りを最小にするため に、このダイオードはファーストリカバリ(逆回復時間 <100ns)にすることが重要な点です。 ブートストラップ抵抗 (RBS)はdVBS/dtを緩やかにし、ブートストラップコンデンサ への充電電流(Icharge)を制限します。 o BOOTSTRAP DIODE VF-IF CHARACTERISTICS, TJ=25 C 1.4 1.2 [A] 1.0 IF 一般的にブートストラップ回路はブートストラップダイオー ド(DBS)、ブートストラップ抵抗(RBS)、ブートストラップコ ンデンサ(CBS)で構成されます。マイクロミニDIP SPMに使 用されている内蔵ブートストラップダイオードはブートスト ラップ抵抗も含んだ特殊なVF特性( 図 40. 参照)を持ってい ます。従って、ブートストラップ回路を設計するにあたっ て、外付けブートストラップコンデンサだけが必要となりま す。 0.8 0.6 0.4 SPM BOOTSTRAP DIODE 1N4937 1N4937 + 13ohm 1N4937 + 15ohm 0.2 0.0 0 2 4 6 8 VF 10 12 14 16 [V] 図 40. ブートストラップダイオード V-I 特性 マイクロミニDIP SPM マイクロミニDIP SPM ファミリに内蔵されているブートス トラップダイオードの特性は： ファーストリカバリダイオード：600V/0.5A trr: 80ns (typ) 約15Ωの等価抵抗を持つ特性 表 15. ブートストラップダイオード規格 記号 VF trr パラメータ フォワード電圧 逆回復時間 © 2009 Fairchild Semiconductor Corporation Rev. 2.0.1 • 11/3/11 Min. Typ. Max. 単位 o ~ 2.5 ~ V o ~ 80 ~ ns 条件 IF=0.1A, TC=25 C IF=0.1A, TC=25 C www.fairchildsemi.com 25 AN-9070_JA アプリケーションノート NTC サーミスタ 回路（TCをモニタ） モーションSPMファミリ、マイクロミニDIP SPM パッケー ジは、TC 測定用にNTC サーミスタ（負の温度特性）を内蔵 しています。このサーミスタは、パワーデバイス (IGBT/FRD)と同じセラミックサブストレート上に載ってい るので、パワーデバイスの温度を正確に反映して測定するこ とができます。( 図 41. 参照). ＮＴＣ サーミ 図 41. マイクロミニDIP SPM パッケージ NTCサーミスタの位置 R-T Curve 600 MIN TYP MAX 550 500 Resistance[k] 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 Temperature TTH[¡É] 図 42. マイクロミニDIP SPMパッケージ © 2009 Fairchild Semiconductor Corporation Rev. 2.0.1 • 11/3/11 NTC サーミスタの R-T カーブ www.fairchildsemi.com 26 AN-9070_JA アプリケーションノート 通常、NTCサーミスタを利用した過熱保護には二通りの方法があります。一つは ADコンバータを用いる方法で、他方はコン パレータを用いる方法です。 図 43. と 図 44. にNTCサーミスタを用いたアプリケーション回路例を示します。 VDD VTH NTC RTH ADC Port MCU Motion-SPMTM RTH 図 43. NTCサーミスタを使用した MCUによる過熱保護回路 図 44. NTCサーミスタを使用した コンパレータによる過熱保護回路 V-T Curve at VDD=5.0, 3.3V, RTH=6.8kohm 5 Output Voltage of RTH [V] VOUT(min) VOUT(typ) 4 VOUT(max) VDD=5.0V 3 VDD=3.3V 2 1 0 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 o Temperature TThermistor[ C] 図 45. © 2009 Fairchild Semiconductor Corporation Rev. 2.0.1 • 11/3/11 図 43. に示した回路の温度‐電圧 カーブ www.fairchildsemi.com 27 AN-9070_JA アプリケーションノート 表 16. NTCサーミスタ 抵抗-温度特性(1-1) TNTC(℃) Rmin(kΩ) Rcent(kΩ) Rmax(kΩ) T(℃) Rmin(kΩ) Rcent(kΩ) Rmax(kΩ) 0 153.8063 158.2144 162.7327 30 37.1428 37.6431 38.1463 1 146.0956 150.1651 154.3326 31 35.5329 36.0351 36.5408 2 138.8168 142.5725 146.4152 32 34.0011 34.5041 35.0111 3 131.9431 135.4081 138.9502 33 32.5433 33.0462 33.5534 4 125.4497 128.6453 131.9091 34 31.1555 31.6573 32.164 5 119.3135 122.2594 125.2655 35 29.834 30.3339 30.8392 6 113.5129 116.2273 118.9947 36 28.576 29.0734 29.5764 7 108.0276 110.5275 113.0739 37 27.3776 27.8717 28.372 8 102.8388 105.1398 107.4814 38 26.2356 26.726 27.2228 9 97.9288 100.0454 102.1974 39 25.1472 25.6332 26.1261 10 93.2812 95.2267 97.2031 40 24.1094 24.5907 25.0792 11 88.8803 90.6673 92.481 41 23.1198 23.596 24.0796 12 84.7119 86.3519 88.0148 42 22.1759 22.6466 23.1249 13 80.7624 82.2661 83.7894 43 21.2753 21.7401 22.2129 14 77.019 78.3963 79.7903 44 20.4158 20.8746 21.3416 15 73.47 74.7302 76.0043 45 19.5953 20.0478 20.5088 16 70.1042 71.2558 72.4189 46 18.812 19.258 19.7126 17 66.9112 67.962 69.0224 47 18.0638 18.5032 18.9514 18 63.8812 64.8386 65.8039 48 17.3492 17.7818 18.2234 19 61.005 61.8759 62.753 49 16.6663 17.0921 17.5269 20 58.2739 59.0647 59.8601 50 16.0137 16.4325 16.8605 21 55.6798 56.3961 57.116 51 15.3899 15.8016 16.2227 22 53.2152 53.8628 54.5127 52 14.7934 15.1981 15.6122 23 50.8732 51.4569 52.0422 53 14.223 14.6205 15.0277 24 48.6469 49.1715 49.6969 54 13.6773 14.0677 14.4678 25 46.53 47 47.47 55 13.1552 13.5385 13.9316 26 44.4567 44.936 45.4159 56 12.6556 13.0318 13.4178 27 42.4868 42.9737 43.4618 57 12.1774 12.5465 12.9255 28 40.6147 41.1075 41.6021 58 11.7195 12.0815 12.4536 29 38.8351 39.3323 39.8319 59 11.281 11.6361 12.0011 30 37.1428 37.6431 38.1463 60 10.861 11.2091 11.5673 © 2009 Fairchild Semiconductor Corporation Rev. 2.0.1 • 11/3/11 www.fairchildsemi.com 28 AN-9070_JA アプリケーションノート 表 17. NTCサーミスタ 抵抗-温度特性(1-2) TNTC(℃) Rmin(kΩ) Rcent(kΩ) Rmax(kΩ) T(℃) Rmin(kΩ) Rcent(kΩ) Rmax(kΩ) 61 10.4594 10.8007 11.152 91 3.6675 3.8463 4.0334 62 10.0746 10.4091 10.7536 92 3.5505 3.7253 3.9084 63 9.7058 10.0336 10.3714 93 3.4377 3.6087 3.7879 64 9.3522 9.6734 10.0046 94 3.329 3.4963 3.6716 65 9.0133 9.3279 9.6525 95 3.2242 3.3878 3.5593 66 8.6882 8.9963 9.3145 96 3.1235 3.2836 3.4515 67 8.3764 8.6782 8.9899 97 3.0264 3.183 3.3473 68 8.0773 8.3727 8.6782 98 2.9328 3.086 3.2468 69 7.7902 8.0795 8.3787 99 2.8425 2.9923 3.1497 70 7.5147 7.7979 8.091 100 2.7553 2.9019 3.0559 71 7.2496 7.5268 7.8138 101 2.6712 2.8146 2.9654 72 6.995 7.2663 7.5474 102 2.5901 2.7303 2.8779 73 6.7505 7.016 7.2913 103 2.5117 2.6489 2.7933 74 6.5157 6.7755 7.045 104 2.436 2.5703 2.7117 75 6.2901 6.5443 6.8082 105 2.363 2.4943 2.6327 76 6.0739 6.3227 6.581 106 2.2921 2.4206 2.556 77 5.8662 6.1096 6.3624 107 2.2236 2.3493 2.4819 78 5.6665 5.9046 6.1521 108 2.1575 2.2805 2.4102 79 5.4745 5.7075 5.9498 109 2.0936 2.2139 2.3409 80 5.2899 5.5178 5.7549 110 2.0319 2.1496 2.2739 81 5.1129 5.3358 5.568 111 1.9725 2.0877 2.2094 82 4.9426 5.1607 5.3879 112 1.9151 2.0278 2.147 83 4.7788 4.9921 5.2145 113 1.8596 1.9699 2.0866 84 4.6211 4.8299 5.0475 114 1.806 1.9139 2.0282 85 4.4694 4.6736 4.8866 115 1.7541 1.8598 1.9716 86 4.3228 4.5226 4.731 116 1.7042 1.8076 1.9171 87 4.1817 4.3771 4.5811 117 1.6559 1.7572 1.8644 88 4.0459 4.2369 4.4366 118 1.6092 1.7083 1.8134 89 3.915 4.1019 4.2973 119 1.564 1.6611 1.7639 90 3.789 3.9717 4.1629 120 1.5203 1.6153 1.7161 © 2009 Fairchild Semiconductor Corporation Rev. 2.0.1 • 11/3/11 www.fairchildsemi.com 29 AN-9070_JA アプリケーションノート アプリケーション回路例 図 46. に、MCU間との制御信号を直接接続したインターフェース回路を含むアプリケーション回路例を示します。. 図 46. マイクロミニDIP SPM © 2009 Fairchild Semiconductor Corporation Rev. 2.0.1 • 11/3/11 汎用アプリケーション回路図 （シャント抵抗1本使用） www.fairchildsemi.com 30 AN-9070_JA アプリケーションノート プリント基板(PCB) レイアウトガイド 図 47. PCB レイアウト・ガイド © 2009 Fairchild Semiconductor Corporation Rev. 2.0.1 • 11/3/11 www.fairchildsemi.com 31 AN-9070_JA アプリケーションノート パッケージ仕様 チューブ梱包データ チューブ梱包構成図 図 1.0 パッケージ概要 SPM26-AAA 製品は通常チューブで輸送されます。チューブ は帯電防止処理されたPVCプラスチック製です。標準オプ ションでは、これらチューブは帯電防止プラスチック・バ ブルシートで包まれ、バーコード・ラベルの付いた再生紙 で作られた箱に収められます。一つの箱には最高６本まで のチューブが収容されます（図 1.0 参照）。その後、これら の箱は１個から数個にまとめられラベルのついいた輸送用 箱に箱詰めされます。この外箱のサイズは、収容する箱数 によって変化します。 パッケージ情報 図 2.0 チューブ情報 図 3.0 図 48. SPM26-AAA パッケージ仕様 © 2009 Fairchild Semiconductor Corporation Rev. 2.0.1 • 11/3/11 www.fairchildsemi.com 32 AN-9070_JA アプリケーションノート チューブ梱包データ チューブ梱包構成図 図 1.0 パッケージ概要 SPM26-AAB 製品は通常チューブで輸送されます。チューブ は帯電防止処理されたPVCプラスチック製です。標準オプ ションでは、これらチューブは帯電防止プラスチック・バ ブルシートで包まれ、バーコード・ラベルの付いた再生紙 で作られた箱に収められます。一つの箱には最高６本まで のチューブが収容されます（図1.0 参照）。その後、これら の箱は１個から数個にまとめられラベルのついいた輸送用 箱に箱詰めされます。この外箱のサイズは、収容する箱数 によって変化します。 パッケージ情報 図 2.0 チューブ情報 図 3.0 図 49. SPM26-AAB パッケージ仕様 © 2009 Fairchild Semiconductor Corporation Rev. 2.0.1 • 11/3/11 www.fairchildsemi.com 33 AN-9070_JA アプリケーションノート 関連情報 FNA40560 — Smart Power Module Motion-SPM™ FNA40860 — Smart Power Module Motion-SPM™ FNA41060 — Smart Power Module Motion-SPM™ FNA41560 — Smart Power Module Motion-SPM™ FNB40560 — Smart Power Module Motion-SPM™ FNB41060 — Smart Power Module Motion-SPM™ FNB41560 — Smart Power Module Motion-SPM™ AN-9071 — Smart Power Module Motion-SPM™ in µMini DIP SPM® Thermal Performance Information AN-9072 — Smart Power Module Motion-SPM™ in µMini DIP SPM® Mounting Guidance RD-344 — Reference Design for FNA41560 (One Shunt Solution) RD-345 — Reference Design for FNA41560 (Three Shunt Solution) 注意事項 フェアチャイルドセミコンダクタは、本書に記載したすべての製品に対して、信頼性、機能、及びデザインを改善する為に予告なしに変更す る権利を所有しています。また、フェアチャイルドは ここに記載した製品或いは回路の使用及び応用に起因するいかなる債務を負うもので はなく、また、当社の特許権または第三者の権利に基づくライセンスを許諾するものではありません。 生命維持装置への使用について フェアチャイルドセミコンダクタの製品はフェアチャイルドセミコンダクタコーポレーション社長の書面による承諾がない限り生命維持装置 または生命維持システム内の重要な部品に使用することは認められていません。 ここで、 1. 2. 生命維持装置または生命維持システムとは、(a) 外科的に体内に埋め 込まれて使用されることを意図したもの、(b) 生命を維持或いは支持 するもの、(c) ラベルに表示された使用法に従って適切に使用された 場合にその不具合が使用者に重大な損傷をもたらすことが合理的に 予想されるもの、をいいます。 © 2009 Fairchild Semiconductor Corporation Rev. 2.0.1 • 11/3/11 重要な部品とは、生命維持装置或いは生命維持システム内のあらゆ る部品を指し、これらの不具合が生命維持装置或いは生命維持シス テムの不具合の原因に、またはその安全性および効果に影響を及ぼ す原因になるものと合理的に予想されるものをいいます。 www.fairchildsemi.com 34 ON Semiconductor and are trademarks of Semiconductor Components Industries, LLC dba ON Semiconductor or its subsidiaries in the United States and/or other countries. ON Semiconductor owns the rights to a number of patents, trademarks, copyrights, trade secrets, and other intellectual property. A listing of ON Semiconductor’s product/patent coverage may be accessed at www.onsemi.com/site/pdf/Patent−Marking.pdf. ON Semiconductor reserves the right to make changes without further notice to any products herein. ON Semiconductor makes no warranty, representation or guarantee regarding the suitability of its products for any particular purpose, nor does ON Semiconductor assume any liability arising out of the application or use of any product or circuit, and specifically disclaims any and all liability, including without limitation special, consequential or incidental damages. Buyer is responsible for its products and applications using ON Semiconductor products, including compliance with all laws, regulations and safety requirements or standards, regardless of any support or applications information provided by ON Semiconductor. “Typical” parameters which may be provided in ON Semiconductor data sheets and/or specifications can and do vary in different applications and actual performance may vary over time. All operating parameters, including “Typicals” must be validated for each customer application by customer’s technical experts. ON Semiconductor does not convey any license under its patent rights nor the rights of others. ON Semiconductor products are not designed, intended, or authorized for use as a critical component in life support systems or any FDA Class 3 medical devices or medical devices with a same or similar classification in a foreign jurisdiction or any devices intended for implantation in the human body. Should Buyer purchase or use ON Semiconductor products for any such unintended or unauthorized application, Buyer shall indemnify and hold ON Semiconductor and its officers, employees, subsidiaries, affiliates, and distributors harmless against all claims, costs, damages, and expenses, and reasonable attorney fees arising out of, directly or indirectly, any claim of personal injury or death associated with such unintended or unauthorized use, even if such claim alleges that ON Semiconductor was negligent regarding the design or manufacture of the part. ON Semiconductor is an Equal Opportunity/Affirmative Action Employer. This literature is subject to all applicable copyright laws and is not for resale in any manner. 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