ELS3120-Gシリーズ ゲートドライバフォトカプラ データシート - 6ピンSDIP - 出力電流2.5A - 絶縁耐圧5000Vrms - 技術文書

1. 製品概要

ELS3120-Gシリーズは、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（IGBT）およびパワーMOSFETのゲート駆動に特化して設計された、高性能6ピンシングル/デュアルインチップ（SDIP）フォトカプラです。赤外線発光ダイオード（LED）と、堅牢なパワー出力段を備えたモノリシック集積回路を光学的に結合しています。主要な設計特徴として、内部シールドによりコモンモード過渡ノイズに対する高い耐性を確保し、電気的ノイズの多い電力変換環境において極めて信頼性の高い動作を実現します。本デバイスはレールトゥレール出力電圧能力を特徴とし、駆動対象のパワースイッチを完全にオン/オフすることが可能です。

1.1 中核的利点とターゲット市場

ELS3120の主な利点は、高い出力電流駆動能力（2.5Aピーク）と優れた絶縁特性（5000Vrms）の組み合わせにあります。これにより、低電圧制御回路と高電圧パワー段との間で安全かつ堅牢な電気的絶縁を必要とするアプリケーションに理想的なソリューションとなります。-40°Cから+110°Cまでの広い温度範囲で保証された性能は、過酷な条件下での信頼性を確保します。本デバイスはハロゲンフリー要件（Br<900 ppm、Cl<900 ppm、Br+Cl<1500 ppm）に準拠し、鉛フリーかつRoHS準拠です。UL、cUL、VDE、SEMKO、NEMKO、DEMKO、FIMKO、CQCなどの主要な国際安全規格認証を取得しています。ターゲット市場には、産業用モータードライブ、無停電電源装置（UPS）、太陽光発電インバータ、およびファンヒーターなどの各種家電アプリケーションが含まれます。

2. 詳細な技術パラメータ分析

2.1 絶対最大定格

本デバイスは、長寿命と損傷防止を確保するために厳格な制限内で動作するよう設計されています。主要な絶対最大定格には以下が含まれます：入力LEDの連続順方向電流（IF）25mA、非常に短時間（≤1μs）のパルス順方向電流（IFP）能力1A。LEDの逆電圧（VR）は5Vに制限されます。出力側では、ピーク出力電流（IOPH/IOPL）は±2.5A、VEEに対するピーク出力電圧（VO）は30Vを超えてはなりません。電源電圧（VCC - VEE）は15Vから30Vの範囲です。本デバイスは1分間5000Vrmsの絶縁耐圧（VISO）に耐えます。総消費電力（PT）は300mWです。動作温度範囲（TOPR）は-40°Cから+110°C、保存温度（TSTG）は-55°Cから+125°Cです。はんだ付け温度（TSOL）は260°Cで10秒間です。

2.2 電気光学特性

このセクションでは、温度範囲全体にわたる指定動作条件下での保証性能パラメータを詳細に説明します。入力側では、順方向電流（IF）10mA時の最大順方向電圧（VF）は1.8Vです。出力特性は、電源電流特性と伝達特性に分けられます。ハイレベルおよびローレベル電源電流（ICCHおよびICCL）は、VCC=30V時、代表値が約1.4-1.5mA、最大値が3.2mAです。伝達特性はゲート駆動にとって重要です。ハイレベル出力電流（IOH）は、VCC=30Vで出力がVCCより3V低い場合に最小-1A（ソース電流）、出力がVCCより6V低い場合に最小-2.5Aと規定されています。逆に、ローレベル出力電流（IOL）は、出力がVEEより3V高い場合に最小1A（シンク電流）、6V高い場合に最小2.5Aです。スイッチングを開始する入力しきい値電流（IFLH）は最大5mAです。本デバイスはまた、不足電圧ロックアウト（UVLO）保護を内蔵しており、VUVLO+（ターンオン）のしきい値は代表値で約11-13.5V、VUVLO-（ターンオフ）は約10-12.5Vで、電源電圧が不十分な場合の誤動作を防止します。

2.3 スイッチング特性

動的性能は効率的なパワースイッチングに不可欠です。標準条件（IF=7-16mA、VCC=15-30V、Cg=10nF、Rg=10Ω、f=10kHz）で測定された主要パラメータには以下が含まれます：伝搬遅延時間（tPLHおよびtPHL）は代表値150ns、最大300ns。出力立上り・立下り時間（tRおよびtF）は代表値80ns。パルス幅歪み（|tPHL – tPLH|と定義）は最大100nsで、良好な対称性を示しています。伝搬遅延スキュー（tPSK）、すなわち同一条件下での複数ユニット間の遅延変動は最大150nsです。際立った特徴はコモンモード過渡耐性（CMTI）であり、ハイ出力状態（CMH）およびロー出力状態（CML）の両方で最小±25 kV/μsが保証されています。この高いCMTI定格は、誤った出力スイッチングを引き起こす可能性のある絶縁バリアを横断する高速電圧過渡現象を除去するために重要です。

3. 性能曲線分析

データシートは、様々な条件下でのデバイス動作に関するより深い洞察を提供するいくつかの代表的な特性曲線を示しています。図1は、異なる順方向電流においてLED順方向電圧（VF）が周囲温度（TA）の上昇とともにどのように減少するかを示しており、入力回路の熱設計に重要です。図2は、異なる温度における出力ハイ電圧降下（VOH - VCC）と出力ハイ電流（IOH）の関係をプロットし、ハイサイド出力トランジスタの実効的なオン抵抗を示しています。図3は、固定負荷電流においてこの電圧降下が温度とともにどのように変化するかを示しています。同様に、図4および図5は、出力ロー電圧（VOL）と出力ロー電流（IOL）の関係およびその温度変化を示し、ローサイドのシンク能力を特徴付けています。図6は、電源電流（ICCHおよびICCL）と周囲温度の関係をグラフ化し、安定した静止電流消費を示しています。図7（PDF断片から推測）は、電源電流と電源電圧の関係を示し、VCCに対するデバイスの消費電力依存性を示している可能性があります。

4. 機械的およびパッケージ情報

本デバイスは6ピンシングル/デュアルインチップ（SDIP）に収められています。ピン構成は以下の通りです：ピン1：入力LEDアノード；ピン2：未接続（NC）；ピン3：入力LEDカソード；ピン4：VEE（負出力電源/グランド）；ピン5：VOUT（ゲート駆動出力）；ピン6：VCC（正出力電源）。重要なアプリケーションノートとして、0.1μFのバイパスコンデンサをピン4（VEE）とピン6（VCC）の間に、デバイス本体にできるだけ近接して接続し、安定動作を確保し、大電流スイッチング時の電源ラインインダクタンスを最小限に抑える必要があります。

5. アプリケーションガイドライン

5.1 代表的なアプリケーション回路

主なアプリケーションは、ブリッジ構成（例：ハーフブリッジ、フルブリッジ）におけるIGBTおよびパワーMOSFETのための絶縁ゲートドライバとしてです。フォトカプラは、マイクロコントローラまたはPWMコントローラ（低電圧側）とハイサイドスイッチのフローティングゲート（高電圧側）との間に必要な絶縁を提供します。2.5Aのピーク電流により、パワーデバイスのゲート容量の高速充放電が可能となり、スイッチング損失を最小限に抑えます。

5.2 設計上の考慮事項

信頼性の高い動作のためには、いくつかの要因を考慮する必要があります。ゲート抵抗（Rg）の値は、必要なスイッチング速度に基づいて選択し、ゲートリンギングや過度のdV/dtを防止するように選定すべきです。VCCとVEEの間に推奨される0.1μFバイパスコンデンサは、高いピーク電流に対する局所的な低インピーダンス源を提供するために必須です。UVLO機能はパワーデバイスを保護しますが、電源シーケンスで考慮する必要があります。コモンモード過渡耐性は高いですが、PCBレイアウトは依然として重要です：入力回路と出力回路間の絶縁ギャップを維持し、高いdV/dtループは小さく保ち、敏感な入力トレースから遠ざける必要があります。

6. 技術比較と差別化

基本的なフォトカプラや絶縁機能のない一部の統合ゲートドライバICと比較して、ELS3120はフォトアイソレータと統合された専用の大電流出力段を提供します。その主な差別化要因は、多くの標準的なフォトカプラベースのドライバよりも高い2.5Aピーク出力電流と、現代の高速スイッチング炭化ケイ素（SiC）や窒化ガリウム（GaN）アプリケーションに不可欠な保証された高いCMTI 25 kV/μsです。広い動作温度範囲と多数の国際安全認証は、信頼性と適合性が最も重要である産業および家電市場に適しています。

7. よくある質問（FAQ）

Q: 内部シールドの目的は何ですか？

A: 内部シールドは、入力と出力間の容量結合を低減することによりコモンモード過渡耐性（CMTI）を大幅に向上させ、絶縁バリアを横断する高速電圧過渡現象による誤トリガを防止します。

Q: VCCに単一電源を使用できますか？

A: 出力段には15Vから30Vの間の電源電圧（VCC - VEE）が必要です。ソースがパワーグランドに接続されているNチャネルIGBT/MOSFETを駆動する場合、VEEは通常その同じグランドに接続され、VCCはそれに対する正の電圧（多くの場合+15Vまたは+20V）です。

Q: なぜ0.1μFバイパスコンデンサが必須なのですか？

A: スイッチング瞬間に、ドライバは数アンペアの電流を非常に速くソースまたはシンクします。遠くのバルクコンデンサへのPCBトレースの寄生インダクタンスは大きな電圧スパイクを引き起こし、誤動作やデバイスの絶対最大定格超過を引き起こす可能性があります。局所コンデンサが瞬時電流を供給します。

Q: 電源電圧（VCC）がUVLOしきい値を下回るとどうなりますか？

A: 不足電圧ロックアウト回路が出力を無効にし、既知の状態（通常はロー）に強制します。これにより、駆動されるIGBT/MOSFETがオフになります。これにより、パワーデバイスが高電圧・高電流のリニア領域で動作し、過度の発熱と故障を引き起こすことを防止します。

8. 実用的なアプリケーション例

一般的な使用例は、3相モータードライブインバータです。6個のELS3120デバイスを使用して、6個のIGBT（3つのハイサイドと3つのローサイド）を駆動することができます。マイクロコントローラは6つのPWM信号を生成し、それぞれがELS3120の入力LEDのアノード（電流制限抵抗を介して）およびカソードに接続されます。各ELS3120の出力は、小さなゲート抵抗を介してそれぞれのIGBTのゲートに接続されます。ハイサイドドライバのVCCピンは絶縁されたフローティング電源（ブートストラップ回路または絶縁DC-DCコンバータ）に接続され、VEEピンは相出力（IGBTのエミッタ）に接続されます。この構成により、制御および保護回路が高DCバス電圧から完全に絶縁されます。

9. 動作原理

本デバイスは光絶縁の原理で動作します。入力赤外線LEDに印加される電流により発光します。この光は出力側ICに集積されたフォトダイオードによって検出されます。受信した光信号は電気信号に変換され、内部回路（増幅器とトーテムポール出力段を含む）によって処理されてVOUTピンを駆動します。主な利点は、信号と電力が光を介して伝達されることであり、数キロボルトに耐えることができ、グランドループを断ち切り、敏感な制御電子機器をパワー側の高電圧過渡現象から保護するガルバニック絶縁バリアを形成します。

10. 業界動向

ELS3120のようなゲートドライバフォトカプラの需要は、パワーエレクトロニクスの動向によって牽引されています。特にワイドバンドギャップ半導体（SiCおよびGaN）の採用により、より高い電力密度、効率、スイッチング周波数への継続的な推進があります。これらの動向は、より高いピーク電流、より高速なスイッチング速度、そしてさらに高いCMTI定格を備えたゲートドライバを必要とします。さらに、自動車（例：ISO 26262）および産業アプリケーションにおける機能安全要件の高まりは、統合診断機能と強化絶縁定格を備えたドライバの開発につながっています。小型化への動きもパッケージ技術に圧力をかけていますが、SDIPパッケージは高電圧絶縁に必要な沿面距離と空間距離のために依然として人気があります。