6ピンSDIPゲートドライバフォトカプラ ELS3150-Gシリーズ データシート - 1.0A出力電流 - 5000Vrms絶縁耐圧 - 30V電源 - 日本語技術文書

1. 製品概要

ELS3150-Gシリーズは、IGBTおよびパワーMOSFETの堅牢で信頼性の高い絶縁ゲート駆動のために設計された、高性能6ピンシングルデュアルインチパッケージ（SDIP）ゲートドライバフォトカプラのファミリーです。本デバイスは、パワー出力段を含むモノリシックICに光結合された赤外線発光ダイオード（LED）を統合しています。主要なアーキテクチャ的特徴は、内部シールドであり、これにより高いコモンモード過渡ノイズ耐性が保証され、スイッチングノイズが発生する過酷なパワーエレクトロニクス環境に適しています。

この部品のコア機能は、低電圧制御回路（マイクロコントローラ、DSP）とパワースイッチの高電圧・大電流ゲートとの間の電気的絶縁と信号伝送を提供することです。ロジックレベルの入力信号を、現代のIGBTやMOSFETの大きなゲート容量を高速で充放電可能な大電流ゲート駆動出力に変換します。これは、スイッチング損失を最小限に抑え、安全な動作を確保するために極めて重要です。

1.1 コアアドバンテージとターゲット市場

ELS3150-Gシリーズは、電源変換およびモータードライブ用途において、いくつかの明確な利点を提供します。レールtoレール出力電圧能力により、ゲート駆動信号はVCCとVEE供給レール間の全電圧スイングを利用し、MOSFETでは最低のRds(on)を、IGBTでは低減された飽和電圧を実現するための最大のゲートオーバードライブを提供します。-40°Cから+110°Cまでの広い温度範囲での保証性能は、大きな温度変動が生じる産業および自動車環境での信頼性を確保します。

デバイスの高いコモンモード過渡耐性（CMTI）±15 kV/μsは重要なパラメータです。インバータのようなブリッジ構成では、一方のデバイスのスイッチングが、相補的なデバイスのドライバの絶縁バリアを横切って高いdv/dtを誘起します。高いCMTIは、このノイズが誤トリガーやシュートスルー状態を引き起こすのを防ぎます。5000 V_rmsの絶縁耐圧は、中電圧アプリケーションに対して堅牢な安全マージンを提供します。国際安全規格（UL、cUL、VDEなど）および環境規制（RoHS、ハロゲンフリー）への準拠により、産業用モータードライブや無停電電源装置（UPS）からファンヒーターなどの家電製品まで、世界的に販売される最終製品での使用が容易になります。

2. 詳細な技術パラメータ分析

2.1 絶対最大定格

これらの定格は、デバイスに永久的な損傷が生じる可能性のあるストレスの限界を定義します。通常動作を意図したものではありません。

• 入力順方向電流（I_F)）：最大25 mA DC。これは入力LEDを流れる連続電流を制限します。
• パルス順方向電流（I_FP)）：300 ppsでパルス幅≤1 μsの場合、1 A。これは、伝搬遅延を最小限に抑えるための高速なLEDターンオンを達成するための、短時間の大電流パルスを可能にします。
• 出力電源電圧（V_CC- V_EE)）：10V ～ 30V。これは許容されるゲート駆動電源電圧範囲を定義します。高電圧側（例：15V-20V）での動作はIGBTに典型的であり、低電圧（10V-12V）はMOSFETで一般的です。
• ピーク出力電圧（V_O)）：30V。出力ピン（ピン5）に現れることができる絶対最大電圧（V_EE（ピン4）に対する相対値）。
• ピーク出力電流（I_OPH/I_OPL)）：±1.0A。これは出力段が供給できるピークソース（ハイサイド）およびシンク（ローサイド）電流です。この電流はゲート容量（Q_g）を直接充放電するため、高速スイッチング速度を達成するために重要です。
• 絶縁耐圧（V_ISO)）：1分間 5000 V_rms。これは入力側と出力側の間の絶縁バリアに関する重要な安全定格です。
• 動作温度（T_OPR)）：-40°C ～ +110°C。デバイスが公表された仕様を満たすことが保証される周囲温度範囲です。

2.2 電気光学特性および伝達特性

これらのパラメータは、指定された温度範囲内での通常動作条件下におけるデバイスの性能を定義します。

• 順方向電圧（V_F)）：I_F=10mA時、最大1.8V。これは入力側の電流制限抵抗を設計するために使用されます。
• 電源電流（I_CCH、I_CCL)）：通常1.4-1.5 mA、最大3.2 mA。これは出力側ICがV_CC電源から消費する静止電流であり、電力損失の計算に重要です。
• 出力電流能力（I_OH、I_OL)）：データシートは特定の電圧降下条件下での最小出力電流を規定しています。例えば、出力電圧（V_O）がV_EE+4Vにあるとき、最小シンク電流1.0Aを保証します。回路内の実際のピーク電流は、ゲート駆動ループのインピーダンスおよびV_CC/V_EE supply.
• 出力電圧レベル（V_OH、V_OL)）：ハイレベル出力電圧は、1AをシンクするときにV_CCから4V以内、100mAをシンクするときにV_CCから0.5V以内であることが保証されます。同様に、ローレベル出力は、1AをソースするときにV_EEから4V以内です。これらの電圧降下は出力トランジスタのオン抵抗によるものです。
• 入力閾値電流（I_FLH)）：最大5 mA。これは出力がハイ状態に切り替わることを保証するために必要な最大入力LED電流です（V_CCがUVLO閾値を上回っていると仮定）。この値を大幅に上回る電流（例：10-16 mA）を供給するように入力回路を設計することで、ノイズ耐性が確保され、伝搬遅延の変動が最小限に抑えられます。
• アンダーボルテージロックアウト（UVLO））：供給電圧V_CC-V_EEがUVLO-閾値（最小5.5V、標準6.8V、最大8V）を下回ると、出力は無効になります。供給電圧がUVLO+閾値（最小6.5V、標準7.8V、最大9V）を上回ると再び有効になります。この機能は、ゲート電圧が不十分な線形領域でパワーデバイスが駆動されるのを防ぎ、過度の発熱や故障を回避します。

2.3 スイッチング特性

これらのパラメータは、アプリケーションにおけるスイッチング速度とタイミングを決定するために重要です。

• 伝搬遅延（t_PLH、t_PHL)）：最小60 ns、標準200 ns、最大400 ns。これは、入力LED電流が最終値の50%に達してから、出力が最終スイングの50%に達するまでの時間であり、ローハイおよびハイロー両方の遷移について定義されます。t_PLHとt_PHLのマッチングは、パルス幅歪みを避けるために重要です。
• パルス幅歪み（|t_PHL– t_PLH|））：最大150 ns。これは2つの伝搬遅延の差です。
• 伝搬遅延スキュー（t_PSK)）：最大150 ns。これは同一条件下での同一デバイスの異なるユニット間における伝搬遅延のばらつきです。タイミング調整が必要な並列またはマルチチャネル構成で複数のドライバを使用するアプリケーションにおいて極めて重要です。
• 立上り/立下り時間（t_R、t_F)）：通常80 ns。これは出力電圧波形の10%-90%遷移時間です。より速い立上り/立下り時間はスイッチング損失を低減しますが、EMIを増加させる可能性があります。
• コモンモード過渡耐性（CMTI））：最小±15 kV/μs。これは、出力にグリッチを引き起こすことなく、絶縁バリアを横切って現れる高速電圧過渡を除去するデバイスの能力を定量化します。試験条件（V_CM=1500V）は、高電圧スイッチング回路における実世界のノイズをシミュレートします。

3. 性能曲線分析

提供される特性曲線は、様々な条件下でのデバイスの動作に関する貴重な洞察を提供します。

3.1 順方向電圧 vs. 温度（図1）

入力LEDの順方向電圧（V_F）は負の温度係数を持ち、周囲温度が上昇すると減少します。固定入力電流の場合、これはLEDの電力損失が高温でわずかに減少することを意味します。設計者は、最大予想動作温度でのV_Fを使用して電流制限抵抗を計算し、常に十分な駆動電流が利用可能であることを保証しなければなりません。

3.2 出力電圧 vs. 出力電流（図2および図4）

これらの曲線は、出力電流の関数としての出力トランジスタ両端の電圧降下を示します。降下は電流と温度とともに増加します。1A出力時、ハイサイド降下（V_CC-V_OH）は-40°Cで2.5Vを超える可能性があり、ローサイド降下（V_OL-V_EE）は110°Cで2.5Vを超える可能性があります。これはIGBT/MOSFETに印加される実際のゲート電圧を決定する際に考慮されなければなりません。例えば、V_CCが15V、V_EEが-5V（合計20V）の場合、高温で1Aを供給すると、ゲートハイ電圧は約12.5V、ゲートロー電圧は約-2.5Vになる可能性があります。

3.3 電源電流 vs. 温度（図6）

電源電流（I_CC）は温度とともに増加します。これはデバイスの総電力損失を計算する際に重要であり、特に単一ボード上で複数のドライバが使用される場合に重要です。電力損失P_D= (V_CC- V_EE) * I_CC+ (I_OH*V_{CEsat_H}* デューティ) + (I_OL*V_{CEsat_L}* (1-デューティ))。

4. 機械的およびパッケージ情報

4.1 ピン配置と機能

デバイスは6ピンSDIPパッケージを使用します。ピン配置は以下の通りです：

• ピン1：入力LEDのアノード。
• ピン2：未接続（NC）。内部で接続されていません。
• ピン3：入力LEDのカソード。
• ピン4：V_EE。出力段の負電源レール。これはグランド（0V）または、負のターンオフバイアスを必要とするIGBTのための負電圧とすることができます。
• ピン5：V_OUT。ゲート駆動出力ピン。これは通常、小さなゲート抵抗（R_g）を介してIGBTまたはMOSFETのゲートに直接接続されます。
• ピン6：V_CC。出力段の正電源レール。

4.2 重要なアプリケーションノート

A 0.1 μFのバイパスコンデンサをピン4（V_EE）とピン6（V_CC)）の間に、物理的に可能な限りフォトカプラのピン近くに配置しなければなりません。このコンデンサは、高速スイッチング遷移中に出力段が必要とする高周波電流を供給します。このコンデンサを含めない、または遠くに配置すると、出力での過剰なリンギング、伝搬遅延の増加、電源バウンスによる潜在的な誤動作を引き起こす可能性があります。

5. はんだ付けおよび組立ガイドライン

デバイスの最大はんだ付け温度定格は、10秒間260°Cです。これは標準的な鉛フリー（Pbフリー）リフローはんだ付けプロファイルと互換性があります。デバイスには感度の高い半導体部品が含まれているため、標準的なESD（静電気放電）取り扱いの注意事項を遵守しなければなりません。推奨される保管条件は、指定された保管温度範囲-55°C～+125°C内で、低湿度、静電気防止環境です。

6. アプリケーション設計上の考慮事項

6.1 代表的なアプリケーション回路

代表的なゲート駆動回路は、制御信号（例：マイクロコントローラからの3.3Vまたは5V）とグランドの間にLEDと直列に接続された入力電流制限抵抗（R_in）を含みます。抵抗値はR_in= (V_control- V_F) / I_Fとして計算されます。I_Fには10-16 mAの値が推奨されます。出力側では、V_CCおよびV_EE電源は絶縁型DC-DCコンバータから供給されます。出力ピンは、スイッチング速度を制御しリンギングを減衰させる小さな抵抗（R_g、例：2-10 Ω）を介してゲートを駆動します。ドライバがオフのときの追加のノイズ耐性のために、ゲートからソース/エミッタへのオプションのプルダウン抵抗（例：10kΩ）を追加しても構いません。

6.2 設計計算とトレードオフ

• ゲート抵抗の選択：より小さいR_gはより高速なスイッチング（低いスイッチング損失）を可能にしますが、ピーク電流、EMI、およびゲート発振のリスクを増加させます。ドライバの1Aピーク電流能力は、供給電圧とゲート閾値に基づいて下限を設定します。
• 電力損失：総電力損失を計算し、最大定格300 mWに対して確認しなければなりません。損失は入力LED（I_F*V_F）、出力ICの静止電流（(V_CC-V_EE)*I_CC）、および出力段のスイッチング損失から生じます。高スイッチング周波数（最大50 kHz）では、スイッチング損失が顕著になります。
• レイアウト上の考慮事項：大電流経路のループ面積を最小限に抑えます：1) バイパスコンデンサ（0.1μF）からV_CC、V_EE、およびV_OUTピンへの経路。2) V_OUTからパワーデバイスのゲート、R_gを経由してパワーデバイスのソース/エミッタ、そしてV_EEに戻るゲート駆動ループ。短く幅広のトレースまたはグランドプレーンを使用してください。

7. 技術比較とポジショニング

ELS3150-Gシリーズは、堅牢な汎用ゲートドライバフォトカプラとして位置付けられています。専用出力段を持たない基本フォトカプラと比較して、大幅に高い出力電流（1A対mA範囲）を提供し、外部バッファなしで中電力デバイスを直接駆動することができます。より高い集積度（例：脱飽和検出、ソフトターンオフ）を持つ一部の新しい統合ドライバICと比較して、基本的で信頼性の高い絶縁および駆動機能を提供し、多くの場合、より低コストで実績のあるフィールド信頼性を有します。その主要な差別化要因は、1A駆動、高いCMTI、広い温度範囲、および主要な国際安全規格への準拠の組み合わせです。

8. よくある質問（技術パラメータに基づく）

Q: 単一の+15V電源（V_CC=15V、V_EE=0V）を使用してIGBTを駆動できますか？

A: はい、これは一般的な構成です。出力はほぼ0Vからほぼ15Vの間でスイングします。IGBTのゲート-エミッタ電圧定格を超えないこと、および15VがIGBTを完全に飽和させるのに十分であること（IGBTのV_GE仕様を確認）を確認してください。

Q: 測定した伝搬遅延が標準の200 nsより長いのはなぜですか？

A: 伝搬遅延は特定の負荷（C_g=10nF、R_g=10Ω）で試験されています。ゲート容量が大きい、またはゲート抵抗が大きい場合、遅延は増加します。また、入力電流I_Fが少なくとも10 mAであること、およびバイパスコンデンサが適切に設置されていることを確認してください。

Q: 1Aを駆動するときの出力電圧降下が高く見えます。これは正常ですか？

A: はい、図2および図4を参照してください。1Aで2-3Vの電圧降下は典型的であり、特に温度極限で顕著です。これは有効なゲート駆動電圧を低下させるため、設計時に考慮されなければなりません。より低い降下が重要な場合は、より低いR_ds(on)の出力段を持つドライバを使用する、またはデバイスを並列接続する（スキューに注意）ことを検討してください。

9. 実用的なアプリケーション例

シナリオ：モータードライブ用単相インバータレグで600V/30A IGBTを駆動。

DSP（3.3V）からの制御信号は、180Ω抵抗（I_F≈ (3.3V-1.5V)/180Ω ≈ 10 mA）を介してフォトカプラ入力に接続されます。出力側は絶縁フライバックコンバータを使用して+15V（V_CC）および-5V（V_EE）電源を生成し、20Vのゲートスイングを提供します。0.1μFセラミックコンデンサがピン4と6の間に直接配置されます。出力（ピン5）は、dV/dtを制御しEMIを低減するための4.7Ωゲート抵抗を介してIGBTゲートに接続されます。負のターンオフ電圧は、ミラー容量による誤ターンオンを防ぐのに役立ちます。高いCMTI定格は、レグ内の相補的なIGBTがスイッチングするときに生成される高いdv/dtにもかかわらず、信頼性の高い動作を保証します。

10. 動作原理

本デバイスは光絶縁の原理で動作します。LED（ピン1および3）に印加される電気入力信号により、赤外線が放射されます。この光は光学的に透明な絶縁バリア（通常は成形プラスチック）を通過し、出力側ICに集積されたフォトダイオードアレイに照射されます。生成された光電流はICの内部回路によって処理され、ハイサイドおよびローサイドトランジスタからなるトーテムポール出力段を制御します。この出力段は、パワーデバイスのゲートが提示する容量性負荷を高速で充放電するために電流をソースおよびシンクすることができます。LEDと検出器ICの間の内部金属シールドは、それらを容量結合的に分離し、高速コモンモード電圧過渡に対する耐性を大幅に向上させます。

11. 業界動向

ゲートドライバフォトカプラの需要は、信頼性の高い高電圧絶縁の必要性により、産業オートメーション、再生可能エネルギー、電気自動車分野で依然として強くあります。この製品カテゴリに影響を与える主要なトレンドは以下の通りです：1)高集積化：脱飽和検出、アクティブミラークランプ、故障フィードバックチャネルなどの高度な保護機能を絶縁パッケージに組み込むこと。2)高速化と低遅延スキュー：より高速なスイッチングワイドバンドギャップ半導体（SiC、GaN）をサポートするため。3)信頼性指標の強化：自動車および航空宇宙用途向けに、より長い動作寿命予測、より高い最大接合温度、宇宙線に対する耐性の向上。4)パッケージの小型化：ボードスペースを節約するために、同じまたはより良い絶縁定格を持つより小さな表面実装パッケージ（SO-8など）への移行。ELS3150-Gに例示される光絶縁の基本アーキテクチャは、そのシンプルさ、ノイズ耐性、および実証された長期信頼性により、信頼され広く採用されているソリューションであり続けています。