12in1 IGBTモジュール評価用ゲートドライブボード アプリケーションノート

アプリケーションノート
12in1 IGBTモジュール評価用
ゲートドライブボード
2013年12月
富士電機株式会社
営業本部
半導体営業統括部
応用技術部
PRELIMINARY
AN-122 ver1.0
© Fuji Electric Co., Ltd. All rights reserved.
1
12MBIxxxVN-120-50評価用ゲートドライブボード
 概要
AT-NPC3レベル12in1モジュール(ソルダピンタイプ)を駆動する評価ボードです。
入出力端子及び駆動用電源を備えており、外部から15Vの電圧を供給することで、
5V信号により、IGBT及びRB-IGBTを駆動できます。
特徴
1) 5出力D/Dコンを搭載しており、15V単電源でゲートドライブ可能
2) 入力部はCMOSTTLを使用しており、5Vで駆動可能
3) メイン部入出力端子を備えており、DC電源と負荷を接続することで動作確認可能。
4) IGBTのゲート電圧確認用にチェックピンを具備
5) IGBT駆動回路には短絡保護機能を内蔵。(RB-IGBT駆動回路にはなし)
外形寸法
190mm×135mm
(L×W)
 適用IGBTモジュール
12MBI50VN-120-50
12MBI75VN-120-50
12MBI100VN-120-50
 注意
1) 本評価ボードは弊社IGBTモジュール評価を目的としております。
販売はしておりませんので、御注意願います。
2) 本資料によって工業所有権、その他権利の実施に対する保証
または実施権の許諾を行うものではありません。
3)本資料に記載されている部品定数は、設計の補助を目的とする
ものであり、部品バラツキや使用条件を充分に考慮したものではありません。
ご使用にあたっては、これら部品バラツキや使用条件等を考慮した設計を
お願いします。
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2
電気的特性
Parameter
VDC(in)
Vout1
Vout2
Iout(DC)
Iout(peak)
Value
10~18
+17/-10
5
0.15
10
Unit
V
V
V
A
A
Remarks
Recmended value 15V
For IGBT drive supply
Non-isolation
per 1 output. IGBT drive supply
per 2 output. IGBT drive supply
VLogicIN
PWM signals for High,low side IGBT and RB-IGBT
0/+5
VFAULT
FAULT detection output
0/+5
IFAULT
FAULT detection output load current
8
Vout
IGBT drive voltage level for high,low side
+15/-10
IG
MAX. peak output current
±2.5
Pout
MAX. output power
1200
fsw
MAX PWM signal frequency
50
tPDELAY
propagation delay time
200
tPDISTO
input to output propagation distortion
15
dmax
MAX. duty cycle
100
VCES(IGBT)
MAX.collector-emitter voltage on IGBT
1200
VCES(RB-IGBT) MAX.collector-emitter voltage on RB-IGBT
600
Top
operating temperature design target
-10~50
Tstg
Storage temperature design target
-30~80
Note:Other specifications follow specifications of SN74HC04PW and ACPL-333J
V
V
mA
V
A
mW
kHz
ns
ns
%
V
V
deg
deg
Follow the specification of SN74HC04PW
Follow the specification of ACPL-333J
Follow the specification of ACPL-333J
Primary DC/DC voltage supply range
Output voltage from DC/DC converter
Primary side control voltage
DC output current
Peak output current (t=1us)
Follow the specification of ACPL-333J
Follow the specification of ACPL-333J
Data sheet No.
SN74HC04PW : sn74hc04.pdf (Texas Instruments Incorporated)
ACPL-333J : AV02-1087EN+DS+ACPL-333J+25Oct2012.pdf (Avago Technologies)
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3
評価ボード基板構成と入出力
DC/DCコンボード
外部電源入力コネクタ
スナバーC
取付位置
初期値:NC
U
GDUボード
V
W
AC 出力端子
IGBTモジュール半田付け用箇所
メイン電源入力端子 P
M
サーミスタコネクタ
信号入力
及び
エラー出力
コネクタ
N
Note: メイン電源入力端子及びAC出力端子の
ネジ留めにはM5ネジを使用願います。
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4
入出力コネクタピン配列
Input and output for connecter(CN2)
PIN
1 Fault detection output W phase low side IGBT(T2W)
2 Fault detection output V phase low side IGBT(T2V)
3 Fault detection output U phase low side IGBT(T2U)
4 Fault detection output W phase high side IGBT(T1W)
5 Fault detection output V phase high side IGBT(T1V)
6 Fault detection output U phase high side IGBT(T1U)
7 GND
8 GND
9 PWM signal for W phase RB-IGBT(T3W)
10 PWM signal for W phase RB-IGBT(T4W)
11 PWM signal for W phase low side IGBT(T2W)
12 PWM signal for W phase high side IGBT(T1W)
13 PWM signal for V phase RB-IGBT(T3V)
14 PWM signal for V phase RB-IGBT(T4V)
15 PWM signal for V phase low side IGBT(T2V)
16 PWM signal for V phase high side IGBT(T1V)
17 PWM signal for U phase RB-IGBT(T3U)
18 PWM signal for U phase RB-IGBT(T4U)
19 PWM signal for U phase low side IGBT(T2U)
20 PWM signal for U phase high side IGBT(T1U)
Top View
19
1
20
2
コネクタはXG4M-2030T(オムロン製)相当品を使用願います。
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Output for connecter(CN9)
PIN
1 TH1
2 TH2
Top View
1
2
コネクタはXHP-2(JST製)相当品を使用願います。
Input for DC/DC converter connecter
PIN
1 VDC
2 NC
3 GND
Top View
3
1
コネクタはXHP-3(JST製)相当品を使用願います。
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5
ゲート周辺回路
T1Rgoff
T4Rgoff
T1Rgon
T4Rgon
T1Cge
T4Cge
回路条件に応じて
Rgon,Rgoff Cgeの値を
変更して下さい。
初期値
T2Rgon
T2Cge
T3Rgon
T1,T2
T3,T4
T3Cge
T2Rgoff
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T3Rgoff
Rgon(Ω)
16
16
Rgoff(Ω)
6.2
20
Cge=No connection
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6
組立手順
DC/DCコンボード
組立手順
1. IGBTモジュールをGDUボードに挿入
2. IGBTモジュールとGDUボードを半田付け
3. IGBTモジュールをヒートシンクにネジ留め
4. DC/DCコンボードをGDUボードに挿入
5. DC/DCコンボード及びGDUボードと主電源
外部電源、負荷及び制御信号ケーブルを
接続する。
電源立上手順
GDUボード
1. DC/DCコンボードに接続した外部電源(15V)オン
外部電源は出力15V/2A以上の電源を推奨
2. 制御電源確立後、主電源オン
3. 制御信号オン
IGBTモジュール
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7
IGBTモジュールとの接続(1相分のみ記載)
P
T1DESAT
T1G
T1
T1&T4E
T4G
T4
GDU
OUTPUT
M
T3
T3E
T3G
T2G
T2
T2E
T2DESATはGDU内部にてT1&T4Eと接続
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N
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8
AT-NPC 3-level IGBTモジュール動作説明
T1
T2
T3
T4
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9
メインIGBTスイッチング代表波形(A-mode)
モジュール: 12MBI100VN-120-50
測定条件: Vcc2=300V, Ic=100A, Tj=125℃, VGE=+15V/-10V
OFF
ON
SW
OFF
ton
VGE 10V/div
toff
trr
Ic 50A/div
Ic 25A/div
VGE 10V/div
VGE 5V/div
Ic 50A/div
VCE 100V/div
t 500ns/div
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VCE 100V/div
VCE 100V/div
t 200ns/div
t 200ns/div
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10
RB-IGBTスイッチング代表波形(B-mode)
モジュール: 12MBI100VN-120-50
測定条件: Vcc2=300V, Ic=100A, Tj=125℃, VGE=+15V/-10V
SW
ON
OFF
OFF
ton
VGE 10V/div
toff
Ic 50A/div
Ic 25A/div
VGE 5V/div
Ic 50A/div
VCE 100V/div
t 200ns/div
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trr
VCE 100V/div
VGE 10V/div
VCE 100V/div
t 100ns/div
t 200ns/div
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11
短絡保護機能(代表波形)
モジュール: 12MBI100VN-120-50
測定条件: Vcc2=400V, Tj=125℃, VGE=+15V/-10V
VCE 100V/div
VGE 10V/div
Ic 250A/div
t 1us/div
本GDUのメインIGBT(T1,T2)駆動回路には短絡保護機能が内蔵しており、DESAT端
子により短絡を検出すると直ちにIGBTをソフトターンオフさせます。
詳細はACPL-333J(AVAGO製)の仕様書をご覧ください。
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12
FAULT信号
短絡検出前
短絡検出後
FAULT信号
5V/div
5V
5V
FAULT信号のリセットまでの時間
25usec.
入力信号
5V/div
15V
t 5us/div
出力信号
10V/div
短絡検出した際の各入出力信号の波形を上記に示します。
DESAT端子により短絡検出をすると出力信号がシャットダウンされると同時にFAULT
信号がhighからlowに切り替わります。
FAULT信号は25usec.(typ.)後に自動的にリセット致します。
詳細はACPL-333J(AVAGO製)の仕様書をご覧ください。
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13
DC/DCコンボード回路構成
7805
5V
COM
D/ D
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17V
0V
- 10V
T1&T4U
17V
0V
- 10V
T1&T4V
17V
0V
- 10V
T1&T4W
17V
0V
- 10V
T2
17V
0V
- 10V
T3
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14
GDUボード回路構成(1相分のみ記載)
Primary
Secondary
To IGBT Collector
Vs
5V
5V
Vcc 1
FAULT
Fault out
Vs
CATHODE
Signal input
VE
VCC 2
VOUT
ANODE
VCLAMP
VEE
Vs
Vcc 1
FAULT
Vs
CATHODE
- 10 V
VE
0V
VLED
To RB - IGBT Emitter
DESAT
VCC 2
VOUT
ANODE
VCLAMP
VEE
10 kΩ
T4
17 V
VEE
ANODE
CATHODE
SN 74 HC04 PW
To IGBTGate
ACPL - 333 J
SN 74 HC04 PW
Signal input
T1
17 V
VEE
10 kΩ
5V
To IGBT Emitter
DESAT
ANODE
CATHODE
0V
VLED
To RB - IGBT Gate
- 10 V
ACPL - 333 J
Signal input
T2
Same as above
T3
Signal input
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15
信号入力部回路構成
w1d
v1d
5V
Gu1
Gu3
D39
v2d
w2d
2A
1A
6Y
6A
Vcc
IC19
5Y
5A
R89
4A
4Y
D46
Vcc
6Y
6A
5Y
5A
R87
4A
4Y
Vcc
6Y
6A
D44
1Y
IC18
2Y
3A
3Y
GND
1A
2A
1Y
2Y
3A
3Y
GND
1A
2A
1Y
5Y
5A
R85
4A
4Y
Vcc
6Y
D42
D49
u2d
R88
IC17
6A
5Y
5A
R83
4A
4Y
Vcc
6Y
6A
5Y
5A
4A
4Y
Vcc
6Y
6A
5Y
5A
4A
4Y
D40
2Y
3A
3Y
GND
1A
2A
1Y
2Y
3A
3Y
GND
1A
2A
1Y
2Y
3A
3Y
GND
1A
2A
1Y
2Y
3A
3Y
GND
R81
Gw4
D47
R86
IC16
Gw3
Gw2
D45
R84
IC15
Gw1
Gv4
D43
R82
IC14
D38
Gv3
Gv2
D41
R80
R79
Gv1
Gu4
Gu2
R78
u1d
D48
CN2
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16
ゲート駆動回路構成
ZD20
T1Ev
C39
C25
T4Gv
ZD37
C49
ZD21
R30
D17
C40 D18
C76
TH2
VEE
VCLAMP
ANODE
TH1
CATHODE
VEE
VOUT
VCC2
Vs
CATHODE
ANODE
VLED
DESAT
VE
Vs
FAULT
Vcc1
VEE
VOUT
VEE
IC11
CATHODE
P3
N3
VCLAMP
VE
VEE
VCLAMP
ANODE
CATHODE
VEE
VOUT
VCC2
Vs
CATHODE
Vs
ANODE
VE
VLED
FAULT
Vcc1
IC9
R57
R34
R33
C67
R58
R46
R45
w1d
v1d
u1d
Gu1
C75
R59
R70
R71
Gw4
C43
R21
DESAT
VEE
CATHODE
VEE
VOUT
VCLAMP
ANODE
VCC2
Vs
ANODE
Vs
FAULT
P2
N2
M2
CATHODE
VE
VLED
DESAT
VEE
VCLAMP
ANODE
R20
IC7
Gv4
R9
C74
C66
C65
IC5
CATHODE
VEE
VCC2
DESAT
VOUT
ANODE
Vs
FAULT
Vs
Vcc1
CATHODE
VLED
VE
VEE
CATHODE
VEE
VOUT
VCLAMP
ANODE
VCC2
Vs
ANODE
R8
D30
C51 C52
R32
C19
D36
R69
D35
C93
Gv1
M
IC3
ZD51
R68
R56
D29
C64
C42
Gu4
R7
CATHODE
VE
VLED
Vs
FAULT
Vcc1
P1
C1
M1
N1
IC1
R55
R52
C41
DESAT
P
D24
C50
C27 C28
C17
R44
D23
C91
C26
C18
R31
ZD44
ANODE
R27
ZD52
ZD43
D26
D25
ANODE
D14
ZD34
R43
Gw1
C16
ZD27
R67
VCC2
D6
C89
D2 R1
R19
D11
ZD26
DESAT
R6
D5
D12
Vs
R5
ZD17
R18
R54
FAULT
ZD10
D13
C73
ZD39
ZD35
CATHODE
ZD9
R42
ZD22
ZD18
Vcc1
D1
R29
R17
C63
ZD38
VLED
R4
ZD4
T1Ew
T4Gw
W T1Gw
W
ZD36
Vs
C15
ZD3
P
V T1Gv
V
ZD19
Vcc1
U T1Gu T1Eu T4Gu
U
M3
ZD1
ZD2
M
5V
ZD12
ZD29
ZD46
ZD30
ZD47
R23
R22
P5
N5
M5
Vs
Vcc1
Vs
FAULT
VE
VLED
VEE
VCC2
DESAT
VEE
T3Gv T3Ev
VOUT
VCLAMP
VE
C56
CATHODE
ANODE
CATHODE
IC12
R66
VLED
VEE
VCC2
DESAT
ZD33
D27
ANODE
Vs
Vcc1
Vs
FAULT
CATHODE
VEE
T2Gv T2Ev
VOUT
VCLAMP
C48
D32
IC10
C77 C78
C79
C94
D28
D22
R50
ZD32
R51
ANODE
VE
VLED
VEE
VCC2
ZD25
ZD24
R40
DESAT
D21
R49
R73
R72
D31
R62
C71
C55
R39
C68
C70
C69
C54
C53
ANODE
CATHODE
Vs
Vcc1
Vs
T3Gu T3Eu
FAULT
VEE
C92
VOUT
VCLAMP
R41
VE
C32
R38
CATHODE
ANODE
CATHODE
IC8
VLED
DESAT
ZD16
D15
ANODE
Vs
FAULT
Vcc1
VEE
AN-122 ver1.0
VCC2
T2Gu T2Eu
Vs
VEE
VOUT
VCLAMP
C24
IC6
D16
D10
R25
ZD15
R26
CATHODE
ANODE
ANODE
CATHODE
ZD8
D20
R61
R60
C47
D9
R24
R48
R47
D19
R37
C46
C45
C30
C31
R14
ZD7
R15
PRELIMINARY
VE
C90
D4
R13
VLED
C29
C22
C23
D3
Vs
VEE
VCC2
DESAT
VOUT
VEE
VCLAMP
VE
VLED
VEE
VCC2
DESAT
VEE
VOUT
VCLAMP
C21
Vcc1
IC4
IC2
R16
FAULT
Vs
CATHODE
ANODE
ANODE
CATHODE
Vs
Vcc1
Vs
FAULT
CATHODE
ANODE
ANODE
CATHODE
P4
N4
M4
D8
R36
C44
R35
ZD48
w2d
u2d
D7
Gw2
R12
Gv2
Gu3
R11C20
R10
N
ZD31
Gw3
ZD45
Gv3
ZD28
ZD13
ZD14
Gu2
N
ZD11
v2d
GND
C2
R63
R74
R64
ZD42
ZD41
R65
D33
R75
ZD49
R76
D34
ZD50
C80
C72
T2Gw T2Ew
T3Gw T3Ew
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17
部品表(DC/DCコンボード)
Type
Transformer
Capacitor
Capacitor
Capacitor
Capacitor
Capacitor
Q'ty
1
1
1
1
2
2
Capacitor
10
Capacitor
Capacitor
Capacitor
Capacitor
1
1
5
1
Capacitor
10
Resistor
Resistor
Resistor
Resistor
Resistor
Resistor
Resistor
Resistor
Resistor
Resistor
Resistor
Resistor
Resistor
Resistor
Resistor
Resistor
Resistor
Diode
Diode
Transistor
MOSFET
Zener diode
Zener diode
IC
IC
PC
Fuse
Connecter
1
3
5
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
4
1
7
1
1
1
1
5
1
1
1
1
1
Connecter
6
Heatsink
Screw
PCB
1
1
1
PRELIMINARY
Value/Device
Y13FE16-61A
1000pF
470pF
47pF
2200pF
0.1uF
2.2uF
1500uF/25V
100uF/25V
100uF/50V
100uF/10V
22uF/50V
10R,1/4W
1.5K,1/4W
47R,1/4W
4.7K,1/4W
1K,1/8W
10K,1/8W
2K,1/8W
2.2K,1/8W
22K,1/8W
220K,1/8W
4.3K,1/8W
470R,1/8W
4.7K,1/8W
8.2K,1/8W
22K,1/8W
200V/1A
40V/5A
50V/2A
100V/73A
2.2V/200mW
16V/1.3W
AN-122 ver1.0
Package size
Part Name
PQ20/16 T1
C9
1608 C5
1608 C8
1608 C6,C7
1608 C4,C36
C26,C27,C28,C29,C30,C31,
2125
C32,C33,C34,C35
12.5*25 C1
6.3*11 C2
8*11.5 C11,C12,C13,C14,C15
5*11 C3
C16,C17,C18,C19,C20,C21,
5*11
C22,C23,C24,C25
0
R12
3216 R4,R8,R9
3216 R21,R22,R23,R24,R25
3216 R6
3216 R3
2125 R26
2125 R7
2125 R30
2125 R27
2125 R29
2125 R28
2125 R10
2125 R11
2125 R2
2125 R1
2125 X1,X2,X3,X4
RV1
D2,D3,D11,D12,D13,D14,D15
ERC81S-004
D1
TR2
2SK3587-01MR TR1
MMSZ4680T1G ZD1
BZV85-C16,133 ZD11,ZD12,ZD13,ZD14,ZD15
TA7805F
IC1
TA76431F
IC11
TLP781F
PC1
SLT250V3.15A F1
B3B-XH-A
CN1
CN11,CN12,CN13,CN14,
MX-17-8
CN15,CN16
S19225-BP
φ3mm*8mm
Y13FE16-41A
Recommendable
Manufacturer
ORIGINAL
Assembled
Remarks
Jamper
Discharge resistor
Variable resistor
Fuji Electric Co.,Ltd.
Fuji Electric Co.,Ltd.
© Fuji Electric Co., Ltd. All rights reserved.
18
部品表(GDUボード)
Type
Q'ty
Value/Device
Resistor
6
6R2
Resistor
12
16R
Resistor
Resistor
6
6
20R
100R
Resistor
24
180R
Resistor
12
10K
Resistor
Resistor
Capacitor
6
12
2
2.2K
47K
Snubber
Capacitor
12
Cge
Capacitor
Capacitor
6
6
Capacitor
36
100pF
1000pF
Package size
Part Name
3216 R5,R14,R25,R30,R39,R64
R6,R13,R19,R24,R31,R38,R44,R,
3216
49,R55,R,63,R69,R74
3216 R18,R43,R50,R56,R68,R75
3216 R1,R16,R27,R41,R52,R66
R8,R9,R10,R11,R20,R21,R23,R3
3,R34,R35,R36,R45,R46,R47,R48
1608
,R58,R59,R60,R61,R70,R71,R72,
1608
Recommendable
Manufacturer
Assembled
Remarks
R73
R78,R79,R80,R81,R82,R83,R84,
R85,R86,R87,R88,R89
1608 R7,R12,R32,R37,R57,R62
1608 R4,R15,R17,R26,R29,R40,R42,R
C1,C2
C15,C24,C25,C32,C39,C48,C49,
1608
C56,C63,C72,C73,C80
1608 C89,C90,C91,C92,C93,C94
1608 C19,C20,C43,C44,C67,C68
C16,C17,C18,C21,C22,C23,C26,
no
no
C27,C28,C29,C30,C31,C40,C41,
0.1uF
1608
C42,C45,C46,C47,C50,C51,C52,
C53,C54,C55,C64,C65,C66,C69,
C70,C71,C74,C75,C76,C77,C78,
Capacitor
10
2.2uF
Diode
36
CRS12
1608
C79
C3,C6,C9,C12,C33,C36,C57,C60,
C81,C84
D3,D4,D5,D6,D9,D10,D11,D12,D1
5,D16,D17,D18,D21,D22,D23,D24
,D27,D28,D29,D30,D33,D34,D35,
D36,D38,D39,D40,D41,D42,D43,
Diode
Diode
Zener diode
6
6
RC2
D44,D45,D46,D47,D48,D49
D1,D7,D13,D19D26,D31
D2,D8,D14,D20,D25,D32
ZD1,ZD2,ZD3,ZD4,ZD11,ZD12,ZD
no
13,ZD14,ZD19,ZD20,ZD21,ZD22,
24
no
ZD28,ZD29,ZD30,ZD31,ZD36,ZD
For active clamp
(Not use)
37,ZD38,ZD39,ZD45,ZD46,ZD47,
ZD7,ZD8,ZD9,ZD10,ZD15,ZD16,Z
Zener diode
24
DF2S24F
IC
12
ACPL-333J
IC
6
SN74HC04PW
CONNECTER
CONNECTER
CONNECTER
1
6
1
XG4A-2031
OP-910
B2B-XH-A
CONNECTER
6
PM-17-3P
TERMINAL
PCB
PRELIMINARY
17
1
HK-2
Y13FE16-42B
AN-122 ver1.0
D17,ZD18,ZD24,ZD25,ZD26,ZD2
7,ZD32,ZD33,ZD34,ZD35,ZD41,Z
D42,ZD43,ZD44,ZD49,ZD50,ZD5
IC1,IC2,IC3,IC4,IC5,IC6,IC7,
IC8,IC9,IC10,IC11,IC12
IC14,IC15,IC16,IC17,
IC18,IC19
CN2
CN3,CN4,CN5,CN6,CN7,CN8
CN9
CN10,CN11,CN12,CN13,
Avago Technologies
Hex Inverter
CN14,CN15
TP1,TP2,TP3,TP4,TP5,TP6,TP7,T
P8,TP9,TP10,TP11,TP12,TP13,T
P14,TP15,TP16,TP17
© Fuji Electric Co., Ltd. All rights reserved.
19
DC/DCコンボードパターンレイアウト
半田面パターン
部品面シルク
部品面パターン
PRELIMINARY
AN-122 ver1.0
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20
GDUボードパターンレイアウト 1
部品面シルク
PRELIMINARY
AN-122 ver1.0
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21
GDUボードパターンレイアウト 2
部品面パターン
PRELIMINARY
AN-122 ver1.0
© Fuji Electric Co., Ltd. All rights reserved.
22
GDUボードパターンレイアウト 3
2層目パターン
PRELIMINARY
AN-122 ver1.0
© Fuji Electric Co., Ltd. All rights reserved.
23
GDUボードパターンレイアウト 4
3層目パターン
PRELIMINARY
AN-122 ver1.0
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24
GDUボードパターンレイアウト 5
半田面パターン
PRELIMINARY
AN-122 ver1.0
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25
GDUボードパターンレイアウト 6
基板寸法
Unit:mm
PRELIMINARY
AN-122 ver1.0
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