EL3120シリーズ ゲートドライバフォトカプラ データシート - 8ピンDIPパッケージ - 出力電流2.5A - 絶縁耐圧5000Vrms - 日本語技術文書

1. 製品概要

EL3120シリーズは、パワーエレクトロニクスアプリケーションにおけるIGBTおよびパワーMOSFETの駆動用に設計された、高性能・高速ゲートドライバフォトカプラです。コンパクトな8ピンDIP（デュアル・インライン・パッケージ）内に、赤外線発光ダイオード（LED）と高利得・高速フォトディテクタを集積しています。本デバイスの主な機能は、低電圧制御回路と高電圧パワースイッチ間の電気的絶縁と信号伝送を提供し、電力変換システムの安全で信頼性の高い動作を可能にすることです。

この部品の中核的な利点は、高い出力駆動能力と堅牢な絶縁性の組み合わせにあります。2.5Aのピーク出力電流により、多くのミディアムパワーIGBTおよびMOSFETのゲートを追加のバッファ段を必要とせずに直接駆動できます。内部シールドは±25 kV/µsという優れた同相過渡耐性（CMTI）を提供し、ノイズの多い電力環境下での安定動作を保証します。本デバイスは、-40°Cから+110°Cまでの広い動作温度範囲で性能が保証されるよう設計されており、産業用および自動車用途に適しています。

対象市場には、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、産業用自動化装置などのパワーエレクトロニクスシステム設計者が含まれます。主要な国際安全規格機関（UL、cUL、VDEなど）からの認可を取得しており、適合性と認証を必要とする最終製品への使用を容易にします。

2. 詳細技術パラメータ分析

2.1 絶対最大定格

絶対最大定格は、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。入力側（LED）では、最大連続順方向電流（I_F）は25 mAで、非常に短いパルス（≤1µs、300 pps）に対するパルス順方向電流（I_FP）能力は1 Aです。最大逆電圧（V_R）は5Vです。出力側では、ハイレベル（I_OPH）およびローレベル（I_OPL）状態の両方におけるピーク出力電流は2.5Aです。出力電圧（V_O）は、V_EEに対して30Vを超えてはなりません。電源電圧範囲（V_CC- V_EE）は15Vから30Vと規定されています。本デバイスは、入力側と出力側の間で1分間5000 V_ISOrms_{の絶縁耐圧（V}）に耐えることができます。総消費電力（P_T）は300 mWに制限されています。

2.2 電気・光学特性

このセクションでは、規定の温度範囲（T_A= -40°C ～ 110°C）内での通常動作条件下におけるデバイスの性能を詳細に説明します。

入力特性：入力LEDの順方向電圧（V_F）は、順方向電流（I_F）10mAにおいて最大値1.8Vです。逆方向リーク電流は、逆電圧5Vで測定されます。

出力特性：出力ICの静止時電源電流が規定されています。入力LEDがオン（I_CCH=10mA）のときのハイレベル電源電流（I_F）は、典型的に1.4 mA（最大3.2 mA）です。入力LEDがオフのときのローレベル電源電流（I_CCL）は、典型的に1.5 mA（最大3.2 mA）です。

伝達特性：これらはゲートドライブアプリケーションにおいて最も重要なパラメータです。ハイレベル出力電流（I_OH）は、ゲート電圧をハイに引き上げる際にデバイスがシンクできる電流です。出力電圧（V_O）がV_CCより3V低い（V_CC-3V）場合、-2.5A（最小）と規定されています。ローレベル出力電流（I_OL）は、ゲートをローに引き下げる際にソースできる電流で、V_OがV_EEより3V高い（V_EE+3V）場合、2.5A（最小）と規定されています。対応する出力電圧降下（V_OHおよびV_OL）も定義されており、デバイスがレール・ツー・レールの出力振幅を達成する能力を示しています。入力閾値電流（I_FLH）は、出力がハイ状態に確実に切り替わることを保証するために必要な最大LED電流で、最大5 mAと規定されています。アンダーボルテージ・ロックアウト（UVLO）の閾値は、電源電圧が低すぎる場合に出力が安全な状態を維持することを保証し、典型的な閾値は約11-12.5Vです。

2.3 スイッチング特性

動的性能は、高周波スイッチングアプリケーションにおいて重要です。入力から出力への伝搬遅延時間（t_PLHおよびt_PHL）は最大300 nsで、典型的な値は約150 nsです。パルス幅歪み（|t_PHL– t_PLH|）は最大100 nsで、ターンオンとターンオフの遅延間の良好な対称性を示しています。出力立ち上がり（t_R）および立ち下がり（t_F）時間は、典型的に80 nsです。同相過渡耐性（CMTI）は絶縁デバイスにとって重要なパラメータであり、誤った出力スイッチングを引き起こすことなくデバイスが耐えられる絶縁バリアを横切る電圧の最大変化率を規定します。EL3120は、ロジックハイおよびローの両状態において25 kV/µsのCMTIを保証します。

3. 性能曲線分析

データシートには、様々な条件下でのデバイス挙動についてより深い洞察を提供するいくつかの代表的な特性曲線が記載されています。

順方向電圧 vs. 温度（図1）：この曲線は、入力LEDの順方向電圧（V_F）が周囲温度の上昇に伴って減少することを示しており、これは半導体ダイオードの典型的な特性です。設計者は、温度範囲全体で十分な電流を確保するために、LED駆動回路を設計する際にこれを考慮する必要があります。

出力電圧 vs. 出力電流（図2および図4）：これらのグラフは、ハイサイド（シンク）動作とローサイド（ソース）動作の両方について、出力電圧降下と出力電流の関係をプロットしています。電圧降下は、出力電流が高く、温度が低いほど増加することを示しています。この情報は、ドライバ内の消費電力を計算し、ゲートが意図した完全な電圧振幅を受け取ることを保証するために極めて重要です。

電源電流 vs. 温度（図6）：この曲線は、静止時電源電流（I_CCHおよびI_CCLの両方）が温度の上昇に伴って適度に増加することを示しており、システムの電力バジェット計算において重要です。

4. 機械的仕様とパッケージ情報

4.1 ピン配置と機能

本デバイスは、標準的な8ピンDIPパッケージに収められています。ピン配置は以下の通りです：

• ピン1：未接続（NC）
• ピン2：入力LEDのアノード（A）
• ピン3：入力LEDのカソード（K）
• ピン4：未接続（NC）
• ピン5：V_EE（出力段の負電源/グランド）
• ピン6：V_OUT（ゲート駆動出力）
• ピン7：V_OUT（ゲート駆動出力、内部的にピン6に接続）
• ピン8：V_CC（出力段の正電源）

回路図は内部接続を示しています：フォトディテクタは、V_CCとV_EEの間に接続されたプッシュプル出力段を駆動します。データシートでは、安定動作を確保し電源ノイズを最小限に抑えるために、ピン8（V_CC）とピン5（V_EE）の間に0.1 µFのバイパスコンデンサを接続することが必須であると明記されています。

5. はんだ付けおよび実装ガイドライン

絶対最大定格では、はんだ付け温度（T_SOL）が260°Cで10秒間と規定されています。これは、鉛フリー（Pbフリー）はんだ付けプロセスの典型的な値です。設計者は、スルーホール部品のはんだ付けに関する標準的なIPCガイドラインに従うべきです。本デバイスは、湿気吸収（リフロー時にポップコーン現象を引き起こす可能性がありますが、主にSMD部品での懸念事項）を防ぐために、規定の保存温度範囲-55°Cから+125°Cの乾燥環境で保管する必要があります。

6. アプリケーション推奨事項

6.1 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、モータードライブ、インバータ、UPSシステムなどの回路におけるIGBTおよびパワーMOSFETの絶縁ゲートドライバとしての使用です。代表的なアプリケーション回路では、入力ピン（2 & 3）を電流制限抵抗を介してマイクロコントローラまたはPWMコントローラに接続します。出力ピン（6 & 7）は、パワースイッチのゲートに直接接続します。外部ゲート抵抗（R_G）は、スイッチング速度を制御し、リンギングを低減し、ピーク電流を制限するために、ゲートと直列に接続することがほぼ常に必要です。R_Gの値は、スイッチング損失（速い方が良い）と電磁干渉（EMI）および電圧オーバーシュート（遅い方が良い）の間のトレードオフです。

6.2 設計上の考慮点

• 入力回路：LED駆動電流は、マージンを持って最大入力閾値電流（5 mA）を確実に超える十分な値でなければならず、通常10-16 mAが使用されます。直列抵抗は、R_IN= (V_CONTROL- V_F) / I_F.
• の式で計算されます。出力回路：_CC出力段の電源（V_EEからV
• ）は15-30V以内で、十分に安定化されている必要があります。0.1 µFのバイパスコンデンサは必須であり、デバイスのピンにできるだけ近くに配置する必要があります。ゲート駆動：
• 2.5Aのピーク出力電流は、適度なゲート電荷を持つスイッチに適しています。非常に大きなIGBTの場合、ドライバが所望のスイッチング時間内に必要な電荷を供給できることを確認してください。プルアップとプルダウンの能力は対称的であり、これは有益です。絶縁：
• 目標絶縁耐圧および関連する安全規格に従い、PCBレイアウト上で入力側と出力側の間に適切な沿面距離および空間距離を維持してください。熱管理：

パッケージは300 mWを放散できますが、実際の消費電力は、電源電圧、電源電流、出力電流、デューティサイクル、およびスイッチング周波数に基づいて計算し、接合温度が限界内に収まることを確認してください。

7. 技術比較と差別化

EL3120は、特定の機能セットで市場に位置付けられています。その2.5Aの出力電流は、ゲートドライバフォトカプラの中ではミッドレンジに位置し、より高電流のディスクリートドライバ段のコストと複雑さなしに、幅広いアプリケーションに適しています。保証された25 kV/µsのCMTIは堅牢な数値であり、モータードライブのような過酷な環境下でも強力なノイズ耐性を提供します。広い動作温度範囲（-40°C ～ +110°C）は多くの民生品グレードの部品を上回り、産業用および屋外用途の信頼性を提供します。レール・ツー・レールの出力電圧能力は、ゲート駆動電源電圧を効率的に使用し、スイッチに印加されるゲート信号を最大化します。

8. よくある質問（技術パラメータに基づく）

Q: 出力段に単一の15V電源を使用できますか？

A: はい、電源電圧範囲は15Vから30Vです。15V電源は最小値であり完全に許容されますが、より高い電圧を使用する場合と比較して、パワースイッチへのゲート駆動電圧は低くなります。

Q: 2つの出力ピン（6と7）がある目的は何ですか？

A: 2つのピンは内部的に接続されています。この設計は、ゲートへの接続における寄生インダクタンスを低減し、高いピーク電流に対してより堅牢な電流経路を提供し、レイアウトの柔軟性を提供するのに役立ちます。

Q: デバイスが確実にオンするようにするにはどうすればよいですか？_FLHA: 入力LEDを、規定された最大入力閾値電流（I

= 5 mA）を大幅に超える電流で駆動してください。試験条件に示されているように、10-16 mAを使用することで、温度およびデバイス間のばらつきに対して良好な安全マージンを提供します。

Q: 外部ゲート抵抗は必要ですか？

A: ほぼ常に、はい。ドライバは直接接続できますが、ゲート抵抗（通常1-100 Ωの間）は、スイッチング速度を制御し、寄生振動を減衰させ、ドライバICとパワースイッチのゲートの両方に見られるピーク電流を制限するために使用されます。

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3相インバータにおける600V IGBTの駆動。

マイクロコントローラは5VロジックレベルでPWM信号を生成します。LED電流を約12 mAとするための電流制限抵抗が計算されます（例：(5V - 1.5V)/12mA ≈ 290Ω）。出力側は、絶縁型20V DC-DCコンバータによって給電されます。ピン6と7は、10Ωのゲート抵抗を介してIGBTのゲートに接続されます。0.1 µFのセラミックコンデンサがピン8と5の間に直接配置されます。UVLO機能は、起動時または故障状態で20V電源が低下した場合にIGBTゲートをローに保持し、部分的なターンオンと過剰な消費電力を防止します。高いCMTIは、IGBTのコレクタでの急速な電圧変化（dv/dt）が、絶縁バリアを介してドライバ出力の誤トリガを引き起こさないことを保証します。

10. 動作原理

EL3120は、光結合の原理に基づいて動作します。入力側に印加された電気信号により、赤外線LEDが光を発します。この光は、光学的に透明な絶縁バリア（通常シリコーンまたは類似の材料で作製）を通過します。出力側では、モノリシック集積回路であるフォトディテクタがこの光を受信し、再び電気信号に変換します。このICには、光センシティブ素子、増幅段、および高いピーク電流をソースおよびシンクできる強力な出力バッファが含まれています。重要な利点は、信号と電力が光を介して伝送されるため、高電圧、グランドループ、およびノイズを遮断する電気的絶縁を提供することです。

11. 業界動向