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。 PRELIMINARY AN-122 ver1.0 © Fuji Electric Co., Ltd. All rights reserved. 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) PRELIMINARY AN-122 ver1.0 © Fuji Electric Co., Ltd. All rights reserved. 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。 PRELIMINARY AN-122 ver1.0 © Fuji Electric Co., Ltd. All rights reserved. 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。 PRELIMINARY AN-122 ver1.0 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。 © Fuji Electric Co., Ltd. All rights reserved. 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 PRELIMINARY AN-122 ver1.0 T3Rgoff Rgon(Ω) 16 16 Rgoff(Ω) 6.2 20 Cge=No connection © Fuji Electric Co., Ltd. All rights reserved. 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 PRELIMINARY AN-122 ver1.0 © Fuji Electric Co., Ltd. All rights reserved. 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 PRELIMINARY AN-122 ver1.0 N © Fuji Electric Co., Ltd. All rights reserved. 8 AT-NPC 3-level IGBTモジュール動作説明 T1 T2 T3 T4 PRELIMINARY AN-122 ver1.0 © Fuji Electric Co., Ltd. All rights reserved. 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 PRELIMINARY AN-122 ver1.0 VCE 100V/div VCE 100V/div t 200ns/div t 200ns/div © Fuji Electric Co., Ltd. All rights reserved. 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 PRELIMINARY AN-122 ver1.0 trr VCE 100V/div VGE 10V/div VCE 100V/div t 100ns/div t 200ns/div © Fuji Electric Co., Ltd. All rights reserved. 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。 PRELIMINARY AN-122 ver1.0 © Fuji Electric Co., Ltd. All rights reserved. 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。 PRELIMINARY AN-122 ver1.0 © Fuji Electric Co., Ltd. All rights reserved. 13 DC/DCコンボード回路構成 7805 5V COM D/ D PRELIMINARY AN-122 ver1.0 17V 0V - 10V T1&T4U 17V 0V - 10V T1&T4V 17V 0V - 10V T1&T4W 17V 0V - 10V T2 17V 0V - 10V T3 © Fuji Electric Co., Ltd. All rights reserved. 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 PRELIMINARY AN-122 ver1.0 © Fuji Electric Co., Ltd. All rights reserved. 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 PRELIMINARY AN-122 ver1.0 © Fuji Electric Co., Ltd. All rights reserved. 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 © Fuji Electric Co., Ltd. All rights reserved. 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 © Fuji Electric Co., Ltd. All rights reserved. 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 © Fuji Electric Co., Ltd. All rights reserved. 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 © Fuji Electric Co., Ltd. All rights reserved. 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 © Fuji Electric Co., Ltd. All rights reserved. 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 © Fuji Electric Co., Ltd. All rights reserved. 26