6ピンSDIP インテリジェントパワー・ゲート駆動インターフェース フォトカプラ ELS680-Gシリーズ データシート - 高絶縁耐圧5000Vrms

1. 製品概要

ELS680-Gシリーズは、高性能なインテリジェントパワーおよびゲート駆動インターフェース フォトカプラのファミリーです。これらのデバイスは、モータードライブや産業用インバータなどに見られるような、低電圧制御回路と高電圧パワーステージとの間で、堅牢な電気的絶縁と信頼性の高い信号伝送を提供するように設計されています。コア機能は、ロジックレベルの入力信号を、IGBTやMOSFETのゲートを直接駆動可能な、またはインテリジェントパワーモジュール（IPM）とインターフェース可能な、対応する絶縁出力信号に変換することです。

主な用途は、ディスクリートのフォトカプラとドライバ回路を置き換え、設計を簡素化し、信頼性を向上させ、大電力スイッチング環境におけるノイズ耐性を強化することです。統合されたトーテムポール出力段は主要な特徴であり、外部のプルアップ抵抗が不要で、直接ゲート駆動に十分な電流ソースおよびシンク能力を提供します。

1.1 中核的利点とターゲット市場

ELS680-Gシリーズは、パワーエレクトロニクス設計においていくつかの明確な利点を提供します。第一に、5000 Vrmsという高い絶縁耐圧であり、これは重要な安全マージンを提供し、産業機器の厳格な要件を満たします。第二に、このデバイスはハロゲンフリー規格（Br<900 ppm、Cl<900 ppm、Br+Cl<1500 ppm）に準拠しており、環境に配慮したアプリケーションに適しています。また、鉛フリーでありRoHSにも準拠しています。

この部品のターゲット市場は、主に産業オートメーションと電力変換です。具体的なアプリケーションには、ACおよびブラシレスDCモータードライブ、産業用インバータ、無停電電源装置（UPS）、太陽光発電用インバータなどが含まれます。高電圧パワースイッチに対する信頼性の高い絶縁制御信号を必要とするあらゆるシステムが、潜在的な適用分野となります。

2. 技術パラメータの詳細分析と客観的解釈

このセクションでは、データシートに規定されている電気的および性能特性の詳細な分析を提供します。これらのパラメータを理解することは、信頼性の高い回路設計にとって極めて重要です。

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発生する可能性のあるストレスの限界を定義します。これらの限界値で、またはその近傍で連続動作することは推奨されません。主要な定格には、入力順方向電流（IF）25 mA、出力平均電流（IO(AVG)）60 mA、電源電圧（VCC）30 Vが含まれます。デバイス全体の消費電力（PTOT）は350 mWに制限されています。絶縁耐圧（VISO）は、特定のピン短絡条件下で試験され、1分間5000 Vrmsと定格されています。動作温度範囲は-40°Cから+100°Cです。

2.2 電気的特性

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

2.2.1 入力特性

入力は赤外線発光ダイオード（LED）です。順方向電流（IF）10 mAにおける典型的な順方向電圧（VF）は1.5Vで、最大値は1.8Vです。入力しきい値電流（IFT）は重要なパラメータであり、有効なローレベル出力を保証するために必要な最小LED電流を規定します。データシートでは、VCC=4.5VにおけるIFTの最大値が5 mA（典型的2.5 mA）と規定されています。設計者は、確実な動作のために駆動回路が少なくともこの電流を供給できることを確認する必要があります。

2.2.2 出力および伝達特性

出力は、トーテムポール構成の高速集積フォト検出器です。主要なパラメータには、ハイレベル出力電圧（VOH）とローレベル出力電圧（VOL）が含まれます。VOHは通常VCCに非常に近く（VCC - 0.5V min）、VOLは通常VEEに非常に近い値（VEE + 0.5V max）です。電源電流（ICCH、ICCL）はともに最大3.2 mAと規定されています。短絡出力電流（IOSL、IOSH）は、出力段の電流制限能力を示し、±60 mAの最小/最大値と定格されています。

2.3 スイッチング特性

これらのパラメータは、高周波スイッチングアプリケーションにとって重要な、フォトカプラのタイミング性能を定義します。

• 伝搬遅延時間（tPHL、tPLH）：入力LED電流の遷移から対応する出力遷移までの時間です。典型的な値は130 ns（tPHL）および140 ns（tPLH）で、最大値は350 nsです。
• パルス幅歪み（PWD）：tPHLとtPLHの絶対差です。低いPWD（最大250 ns）は、精密なタイミングアプリケーションにおいて信号の完全性を維持するために重要です。
• 立上り/立下り時間（tr、tf）：出力信号のエッジ速度で、それぞれ典型的に9 nsおよび6 nsです。
• 同相過渡耐性（CMH、CML）：これはノイズ耐性にとって極めて重要なパラメータです。これは、出力にグリッチを引き起こすことなくデバイスが耐えられる同相電圧スパイクの最小dV/dt（典型的10 kV/µs）を規定します。高いCMTIは、ノイズの多いモータードライブ環境において不可欠です。

3. 性能曲線分析と設計上の考慮事項

抽出されたテキストには明示的な性能曲線は提供されていませんが、データシートは設計者が考慮しなければならないいくつかの重要な関係性を示唆しています。

3.1 温度依存性

ほとんどの電気的およびスイッチング特性は、-40°Cから+100°Cの全温度範囲にわたって規定されています。設計者は、順方向電圧（VF）、しきい値電流（IFT）、伝搬遅延時間などのパラメータが温度とともに変化することに留意すべきです。堅牢な設計のためには、計算は典型的な値だけでなく、最小および最大の限界値に基づいて行うべきです。

3.2 電源とバイパス

データシートは、VCC（ピン6）とVEE（ピン4）のピン間に0.1 µF（またはそれ以上）のバイパスコンデンサを使用することを明示的に義務付けています。このコンデンサは良好な高周波特性（例：セラミック）を持ち、デバイスのピンにできるだけ近くに配置されなければなりません。これは、規定されたスイッチング性能と同相過渡耐性を達成するために不可欠です。コンデンサは、出力段の過渡電流要求に対する局所的な電荷の貯蔵庫を提供し、高周波ノイズを分流するのに役立ちます。

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ピンの小型デュアルインチパッケージ（SDIP）に収められています。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；ピン3：入力LEDのカソード；ピン4：VEE（出力グランド/基準）；ピン5：Vout（出力信号）；ピン6：VCC（出力電源電圧）。

4.2 パッケージ寸法とPCBレイアウト

データシートには、Pタイプ表面実装リード形状の詳細な機械図面が含まれています。重要な寸法には、ボディサイズ、リード間隔、スタンドオフ高さが含まれます。表面実装用の推奨パッドレイアウトも提供されています。このランドパターンに従うことは、信頼性の高いはんだ付けと機械的安定性のために不可欠です。このパッケージは、標準的な表面実装技術（SMT）組立プロセス用に設計されています。

5. はんだ付けおよび組立ガイドライン

絶対最大定格では、はんだ付け温度（TSOL）が260°Cで10秒間と規定されています。これは典型的な鉛フリーリフローはんだ付けプロファイルに適合します。設計者と組立業者は、プラスチックパッケージや内部ダイへの損傷を防ぐために、リフローオーブンのプロファイルがこの限界を超えないことを確認する必要があります。湿気敏感デバイス（該当する場合）に関する標準的なIPCガイドライン、使用前の適切な保管およびベーキングを含めて、従うべきです。

6. 注文情報とデバイスマーキング

品番は特定の構造に従います：ELS680X(Y)-VG。Xはリードタイプを示します（表面実装用はP）。Yはテープおよびリールオプションを示します（TAまたはTBで、いずれもリールあたり1000個を含みます）。Gサフィックスはハロゲンフリー準拠を示します。デバイスは上面に、工場出所、品番（S680）、年/週コード、およびオプションのVDEマーキングを含むコードでマーキングされます。

7. アプリケーション提案と設計上の注意点

7.1 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、マイクロコントローラまたはDSPと、IPMまたはディスクリートのIGBT/MOSFETゲートとの間のインターフェースとしてです。入力は、コントローラのGPIOピンからの単純な電流制限回路によって駆動されます。出力はパワーデバイスのゲートに直接接続され、VCC電源はパワーデバイスのエミッタ/ソース電位を基準とします。必須の0.1 µFバイパスコンデンサを含める必要があります。

7.2 重要な設計上の考慮事項

• 入力電流：LED駆動回路が、確実なオン状態を保証するために、最大入力しきい値電流（5 mA）よりも大きい電流を供給することを確認してください。通常、直列抵抗が使用されます。
• 出力電流：出力は大きなピーク電流（短絡定格）をソース/シンクできますが、特に容量性の高いゲート負荷を駆動する場合、平均出力電流（IO(AVG)）が60 mAを超えないようにしてください。
• 絶縁沿面距離および空間距離：ノイズ耐性：
• 5000 Vrmsの絶縁定格を維持するために、PCBレイアウトは、関連する安全規格（例：IEC 60664-1、UL 60950）に従って、入力側（ピン1-3）と出力側（ピン4-6）の回路間に十分な沿面距離および空間距離を提供しなければなりません。バイパスコンデンサの低インダクタンスレイアウトを確保し、出力電流経路のループ面積を最小限に抑えることで、高いCMTIを活用してください。

8. 技術比較と差別化

ELS680-Gは、統合されたトーテムポール出力により差別化されています。これは、外部バッファを必要とするフォトトランジスタやフォトダイオードベースのカプラと比較して設計を簡素化します。その高い5000 Vrms絶縁は、多くの標準的な3750 Vrmsフォトカプラよりも優れています。比較的高速なスイッチング速度（典型的な伝搬遅延時間～130 ns）と非常に高い同相過渡耐性（10 kV/µs）の組み合わせにより、速度と堅牢性の両方が要求されるノイズの多い高電圧モータードライブアプリケーションに特に適しています。

9. よくある質問（技術パラメータに基づく）

Q: 3.3Vのマイクロコントローラピンから入力LEDを直接駆動できますか？

A: はい、ただし直列抵抗を正しく計算する必要があります。VF=1.5V、希望するIF=10 mA、3.3V MCUの出力ハイ電圧が～3.0Vと仮定すると、抵抗は R = (3.0V - 1.5V) / 0.01A = 150 オームとなります。MCUピンがこの電流を供給できることを確認してください。

Q: 未接続ピン（ピン2）の目的は何ですか？

A: ピン2は内部で接続されていません。これは標準的な6ピンパッケージフットプリントの一部です。フローティングのままにすることも、機械的安定性のためにPCBトレースに接続することもできますが、アクティブな回路には接続すべきではありません。

Q: 設計において同相過渡耐性をどのように確保すればよいですか？

A: 最も重要なステップは、0.1 µFバイパスコンデンサを物理的に可能な限りピン6と4の近くに配置することです。幅広く短いトレースを使用してください。次に、フォトカプラ出力からパワーデバイスゲート、そしてVEEに戻るゲート駆動ループの寄生インダクタンスを最小限に抑えてください。

10. 実践的な設計ケーススタディ

600V IGBTを使用する三相モータードライブインバータを考えてみましょう。各IGBTは、制御ボードから絶縁されたゲート駆動信号を必要とします。3つのELS680-Gデバイスを使用することができ、ハイサイドおよびローサイドスイッチごとに1つずつ（標準的なブリッジでは合計6つ）使用できます。制御ボードはPWM信号を提供します。各信号は電流制限抵抗を経由してフォトカプラのLEDに入力されます。出力側では、各フォトカプラのVCCは、対応するIGBTのエミッタを基準とした局所的な絶縁DC-DCコンバータによって供給されます。VoutピンはIGBTゲートに直接接続され、リンギングを減衰させるために小さな直列抵抗が追加される場合があります。0.1 µFコンデンサは各カプラのピン6と4の間に直接配置されます。この設計は、堅牢な絶縁を提供し、スイッチングIGBTからの高いdV/dtノイズを処理し、ディスクリートソリューションと比較して部品点数を簡素化します。

11. 動作原理の紹介

ELS680-Gは、光絶縁の原理に基づいて動作します。電気的入力信号（赤外線LEDを流れる電流）により、LEDが光を発します。この光は内部の誘電体絶縁バリア（高電圧絶縁を提供）を横切り、出力側のモノリシック集積回路内のフォトダイオードに当たります。このICにはフォトダイオードだけでなく、増幅、整形、およびトーテムポール出力段も含まれています。ICは光電流を、入力状態を反映したクリーンでバッファリングされたデジタル出力信号に変換します。光路により、入力と出力の間に電気的接続はなく、光エネルギーのみが伝達されます。

12. 技術トレンドと背景

ELS680-Gのようなゲート駆動フォトカプラは、パワーエレクトロニクスにおける、より高い集積度、信頼性、ノイズ耐性への継続的なトレンドの一部です。効率向上のためのモータードライブやインバータのスイッチング周波数が高くなるにつれて、より高速な伝搬遅延時間とより高いCMTIがより重要になります。また、より広い温度範囲と環境規制（ハロゲンフリー、RoHS）への準拠に向けた強い産業の推進力もあります。競合技術には、磁気絶縁器（トランスベースの絶縁器）や容量性絶縁器があり、より高いデータレートと異なる性能のトレードオフを提供できます。しかし、光絶縁は、特に非常に高い絶縁耐圧が要求される中速・高ノイズ耐性のパワーインターフェースアプリケーションにおいて、依然として支配的でよく理解され、非常に信頼性の高い技術です。