IGBTゲート駆動設計のコストおよびスペースの削減：高集積ゲート駆動用フォトカプラ ACPL-337J

ACPL-337Jは、IGBTの動作状態を監視し、分離、駆動、保護およびフィードバックするように設計された最新の高集積ゲート駆動用フォトカプラです。設計者が使用する外付個別部品をさらに少なくしてシステム全体の電力効率と信頼性を改善するために、より多くの新しい機能を備えています。

[PR／EE Times]

概要

ACPL-337J

　ACPL-337J（データシート）は、IGBTの動作状態を監視し、分離、駆動、保護およびフィードバックするように設計された最新の高集積ゲート駆動用フォトカプラです。

　このデバイスは、高出力IGBTを直接駆動できる最大4Aの電流を供給でき、レール・ツー・レール出力を備えています。内蔵DESAT検出機能が、短絡状態からIGBTを保護し、絶縁型フィードバックが、フォルト状態をコントローラに報告します。

　これらの基本機能に加えて、ACPL-337Jは、設計者が使用する外付個別部品をさらに少なくしてシステム全体の電力効率と信頼性を改善するために、より多くの新しい機能を備えています。これにより、使いやすくコンパクトなIGBTゲート駆動用フォトカプラ・ソリューションを提供します。

図1 ACPL-337Jゲート駆動用フォトカプラの機能図

はじめに

　フォトカプラは、インバータまたはモータ駆動用途で高電圧強化ガルバニック絶縁およびノイズ分離を提供します。通常、IGBTのゲート容量を充放電してIGBTを迅速にオン・オフするために、高出力電流を流すことができるゲート駆動フォトカプラが使用されます。よりハイパワーのIGBTを駆動するときには、電流バッファを使用する場合があります。IGBT非飽和検出回路は、電圧コンパレータ、定電流源およびトランジスタスイッチなどの個別部品で構成され、短絡フォルト時に高価なIGBTを保護するために使用されます。このフォルトは、別のガルバニック分離経路（通常はデジタル・フォトカプラ）によって、低電圧コントローラ側にフィードバックされます。

図2 IGBTの動作状態を監視し、分離、駆動、保護、フィードバックする基本ゲート駆動フォトカプラと個別部品

集積の第一段階

　アバゴ・テクノロジーは、分離、駆動、保護、フィードバックする完全なゲート駆動ソリューションをHCPL-316Jに集積しました。HCPL-316Jは、内蔵DESAT（非飽和）検出および分離FAULTフィードバック機能を備えた最初の2.5Aゲート駆動用フォトカプラです。

図3 DESAT検出および分離型FAULTフィードバック機能を内蔵したHCPL-316J 2.5Aゲート駆動用フォトカプラ

　設計柔軟性をさらに高めるため、HCPL-316Jは、ゲート電圧が十分高くない状態でIGBTを駆動するのを防ぐアンダーボルテージ・ロックアウト（UVLO）機能と、IGBTにかかる高電圧過渡ストレスを防ぐ「ソフト」IGBTターンオフ機能を備えています。

　ここ数年、設計者は、インバータおよびモータ駆動における大電力、高効率および高信頼性の要求に応えるために、より多くの周辺回路を追加してきました。それらの回路には次のものがあります。

• 効率の改善
  • スイッチング損失を低減するためにIGBTをより高速で切り替える電流バッファ
  • 電流バッファでの電圧降下を補償して最適なゲート電圧を達成する正電源
• 信頼性の改善
  • IGBTを安全に遮断する負電源
  • DESATの誤検出を防ぐ補助ブランキング電流源
  • IGBTゲート電源電圧が十分に高くないことを報告するUVLOフィードバック
  • 同相除去（CMR）を改善する分割抵抗での直接LED駆動

図4 IGBTゲート駆動の効率と信頼性を改善する周辺回路

さらなる集積化

　ACPL-337Jは、周辺回路をさらに集積化した小型ゲート駆動用フォトカプラ・ソリューションを求めるお客さまからのフィードバックに対するアバゴ・テクノロジーの回答です。

　4Aの高出力電流により、電流バッファなしでIGBTを直接駆動することができます。レール・ツー・レール出力は、IGBTのゲートを電源電圧からの電圧降下なく駆動することができます。内蔵アクティブ・ミラー・クランプは、寄生ミラー電流を分流することによって負電源を置き換え、IGBTが誤ってオンするのを防ぎます。内蔵のDESATブランキング電流源を強化し、ブランキング容量を大きくすることを可能にしました。ブランキング・キャパシタが大きいほど、過渡ノイズを効率的にフィルタリングして、間違ったフォルトトリガリングを防ぐことができます。

図5 ACPL-337Jを用いて設計および基板レイアウトを簡略化するゲート駆動ソリューション

　1つの絶縁フィードバック経路で、DESATとUVLO両方のフォルト信号を低電圧コントローラ側に伝えることができます。コントローラは、UVLOフィードバックを「レディ」信号として使用して高電圧IGBT動作を開始するか、二次側電源が故障した場合は動作を停止することができます。最後に、内蔵LEDドライバは、コントローラとゲート駆動の接続を容易にすることができます。LEDドライバの柔軟な構成によって、LEDに直接アクセスし、その入力インピーダンスを平衡させ、CMRを改善することができます。

まとめ

　ACPL-337Jの高集積化により、外付部品が大幅に減少し、モータ制御および電力インバータ用途のために完全でコスト効率の高いゲート駆動ソリューションを提供することが可能になりました。

図6 ACPL-337Jを使用してシステム・コストと基板スペースを削減する概略図