4in1 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
4in1 IGBTモジュール評価用
ゲートドライブボード
2014年11月
富士電機株式会社
営業本部
半導体統括部
応用技術部
PRELIMINARY
AN-124 ver1.3
© Fuji Electric Co., Ltd. All rights reserved.
1
4in1 評価用ゲートドライブボード
 概要
外形寸法
AT-NPC3レベル4in1モジュール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。
30mm×38mm(L×W)
39mm×38mm(L×W)
特徴
1) 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) 2台までの並列駆動可能
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)
165mm×100mm(L×W)
 適用IGBTモジュール
4MBI300VG-120R-50
4MBI400VF-120R-50
4MBI400VG-060R-50
 注意
1) 本評価ボードはI弊社GBT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-124 ver1.3
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2
電気的特性
Parameter
VDC(in)
Vout1
Vout2
Iout(DC)
Iout(peak)
Primary DC/DC voltage supply range
Output voltage from DC/DC voltage
Primary side control voltage
DC output current
Peak output current (t=1us)
VLogicIN
VFAULT
IFAULT
Vout
IG
Pout
PWM signals for High,low side IGBT and RB-IGBT
FAULT detection output
FAULT detection output load current
IGBT drive voltage level for high, low side
MAX. peak output current
MAX. output power
fsw
MAX. PWM signal frequency
tPDELAY
tPDISTO
dmax
propagation delay time
input to output propagation distortion
MAX. duty cycle
VCES(IGBT)
MAX. collector-emitter voltage on IGBT
VCES(RB-IGBT)
MAX. collector-emitter voltage on RB-IGBT
Top
operateing temperature design target
Tstg
Storage temperature design target
Note: Other specifications follow specifications of TC74HC04AF and ACPL-339J
PRELIMINARY
AN-124 ver1.3
Value
10~18
+15/-10
5
0.15
10
Unit
V
V
V
A
A
Remarks
Recommended value 15V
For IGBT drive supply
Non-isolation
per 1 output. IGBT drive supply
per 2 output. IGBT drive supply
0/+5
0/+5
8
+15/-10
±5.5
1200
35
17.5
250
25
100
1200
600
600
-10~50
-30~80
V
V
mA
V
A
mW
kHz
kHz
ns
ns
%
V
V
V
deg
deg
Follow the specification of TC74HC04AF
Follow the specification of ACPL-339J
Follow the specification of ACPL-339J
Follow the specification of ACPL-339J
Follow the specification of ACPL-339J
single drive condition
pallarel drive condition
4MBI300VG-120R-50
4MBI400VG-060R-50
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3
GDUメインボード基板構成と入出力
短絡時
ターンオフ
時間
調整用
抵抗の初期値
Rgon(Ω) Rgoff(Ω)
T1,T2
10
1
T3,T4
8.2
39
PRELIMINARY
AN-124 ver1.3
 コモンモードチョーク取付場所には、初期状態では何も接続し
ていません。シングル駆動の場合電極部に接続用の穴を空け
ておりますので、ジャンパー線で接続してお使い下さい。
 コモンモードチョークは並列駆動の場合のみお取付け下さい。
コモンモードチョークを取付けることで往流対策が可能となって
おります。
 回路条件に応じてRgon,Rgoffの値を変更して下さい。(初期値
は左図参照)
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4
コネクタ接続
Top View
1
6
Top View
1
2
 シングル駆動時のT1,T4駆動出力コネクタはCN2を
お使い下さい(左図参照)。CN3をお使い致しますと
IGBTは駆動致しませんのでご注意下さい。
 T2,T3駆動出力コネクタはどちらのコネクタにお使い
頂いても動作致します。
 T1Cは短絡検出のための配線ですのでT1のコレクタ
に必ずお取付下さい(6ページの図参照)。取付けない
とIGBTは駆動致しませんのでご注意下さい。
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5
GDUサブボード回路
Active clamp
T1 collector
T3Cge
Balance resistance
for parallel
T1C
T2Cge
T1Cge
Balance resistance
for parallel


T4Cge
Active clamp


PRELIMINARY
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回路条件に応じてCgeの値を変更して下さい。初期ではCgeはお取
付けしておりません。
並列駆動用にバランス抵抗を取付けておりますので、回路条件に応
じて、バランス抵抗の値を変更して下さい。(初期値R=0Ω)
R45,R46,R47,R48の抵抗は絶対に取り外さないで下さい。この抵抗
は負荷短絡時におけるゲートの放電の役割を担っております。
アクティブクランプ回路が搭載されています。必要に応じてお使い下
さい。4MBI300VG-120R-50をご使用の場合は、アクティブクランプ
回路は必要ありません。初期ではアクティブクランプダイオードはお
取付しておりません。
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6
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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7
4in1 IGBTモジュール動作説明
T1
T2
T3
T4
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8
2レベル信号を3レベル信号への変換回路例
To T1G
To T4G
To T2G
To T3G
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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: 4MBI300VG-120R-50
測定条件: Vcc2=400V, Ic=300A, Tj=125℃, VGE=+15V/-10V
OFF
ON
SW
OFF
ton
VGE 5V/div
toff
VGE 5V/div
trr
Ic 100A/div
VCE 100V/div
Ic 100A/div
Ic 100A/div
VGE 5V/div
VCE 100V/div
t 200ns/div
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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: 4MBI300VG-120R-50
測定条件: Vcc2=400V, Ic=300A, Tj=125℃, VGE=+15V/-10V
SW
ON
OFF
OFF
toff
ton
VGE 5V/div
trr
Ic 100A/div
VGE 5V/div
VCE 100V/div
Ic 100A/div
VCE 100V/div
Ic 100A/div
t 500ns/div
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VGE 5V/div
VCE 100V/div
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t 500ns/div
t 500ns/div
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11
短絡保護機能(代表波形)
モジュール: 4MBI300VG-120R-50
測定条件: Vcc2=400V, Tj=125℃, VGE=+15V/-10V
抵抗の初期値
Rgon(Ω) Rgoff(Ω)
T1,T2
10
1
T3,T4
8.2
39
ターンオフ速度は
R39,R40の抵抗
値を変更すること
で調整可能です。
VCE 100V/div
VGE 5V/div
Ic 250A/div
t 2us/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。
短絡状態でのソフトIGBTシャットダウンはACPL-339J(AVAGO製)の仕様書に記載さ
れている通りです。R39,R40の抵抗値を変更してゲートのターンオフ速度の調整を行
って下さい。
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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
入力信号
5V/div
15V
t 20us/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。詳細はACPL-339J(AVAGO製)の仕様書をご覧
ください。
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13
DC/DCコンバータ回路構成
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14
GDUサブボード回路構成
P1
CN8-1
CN8-2
CN8-3
CN8-6
CN9-1
CN9-2
CN10-1
CN10-2
P2
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15
GDUメインボード回路構成
IC3
NC
5V
R3
Tr1
C
R10
R6
E
C
E
VE
CATHODE
DESAT
ANODE
VGMOS
CATHODE
Tr2
B
Vee1
C5
R9
R8
B
C19
VCC2
VGND1
VOUTP
VCC1
VOUTN
FAULT
NC
VGND1
VEE
CN2
C13
R19
C20
R31
N_S
N_D
N_G
N_D
P_S
P_D
P_G
R20
C6
C7
NC
VE
CATHODE
5V
D1
D2
R12
5V
IC1
R2
R1
C1
1A
Vcc
1Y
6A
2A
6Y
2Y
5A
3A
5Y
3Y
4A
GND
4Y
D5
FAULT
NC
VGND1
VEE
C9
DESAT
5V
5V
D4
C2
IC2
1A
R5
R4
R15
Vcc
1Y
6A
2A
6Y
2Y
5A
3A
5Y
3Y
4A
GND
4Y
R16
C4
C15
VGMOS
CATHODE
C18
R24
VCC2
VGND1
VOUTP
VCC1
VOUTN
FAULT
NC
VGND1
VEE
N_S
N_D
N_G
N_D
P_S
P_D
P_G
P_D
NF3
R34
IC8
R39
D7
R29
FET1
NF4
Vee3
D8
C23
R25
C24
R35
N_S
N_D
N_G
N_D
P_S
P_D
P_G
R26
C10
CN3
R33
C21
Vgg1
-Vgg1
VE
CATHODE
D6
R23
C8
IC5
NC
Vee1
C22
VOUTN
CN8-6
NF2
R22
VOUTP
ANODE
D3
C14
VCC2
VGND1
VCC1
C3
C17
R21
VGMOS
CATHODE
R13
R14
CN1
DESAT
ANODE
R32
Vgg1
IC4
R11
CN8-1
CN8-2
CN8-3
P_D
IC7
-Vgg1
R7
NF1
CN4
P_D
R36
IC9
Vgg3
-Vgg3
NF5
R40
D9
R30
FET2
CN5
CN9-1
NF6
CN9-2
IC6
R17
R18
Vee2
C11
NC
VE
CATHODE
DESAT
ANODE
VGMOS
CATHODE
C16
C25
VCC2
VGND1
VOUTP
VCC1
VOUTN
FAULT
NC
VGND1
VEE
R27
C26
R28
C12
N_S
N_D
N_G
N_D
P_S
P_D
P_G
P_D
IC10
Vgg2
-Vgg2
R37
CN6
R38
NF7
D10
CN7
NF8
CN10-1
CN10-2
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16
部品表(DC/DCコンバータ)
Type
Q'ty
Value/Device
Resistor
Resistor
Resistor
Resistor
Resistor
Resistor
Resistor
Resistor
Resistor
Resistor
Resistor
Resistor
Resistor
Resistor
Resistor
Resistor
Capacitor
Capacitor
Capacitor
Capacitor
1
3
1
1
1
3
1
1
1
1
1
1
1
3
1
1
1
1
2
2
0
10
47
470
1k
1.5k
2k
2.2k
3.6k
4.7k
4.7k
8.2k
10k
22k
220k
FT63-EP102
1000pF
1000pF
2200oF, 50V
0.1uF,50V
Capacitor
6
2.2uF,25V
2125
Capacitor
6
22uF,50V
5*11
Capacitor
Capacitor
Capacitor
Capacitor
1
1
3
1
100uF,10V
100uF,25V
100uF,50V
1500uF,25V
5*11
6.3*11
8*11.5
12.5*25
PRELIMINARY
AN-124 ver1.3
Package size
3216
3216
2125
2125
3216
2125
2125
2125
2125
3216
2125
2125
2125
2125
1608
1608
1608
Part Name
R112
R104,R108,R109
R106
R111
R126
R121,R122,R125
R130
R127
R110
R102
R103
R101
R107
R129,R131,R132
R128
RV1
C109
C105
C106,C107
C104,C136
C126,C127,C128
C129,C134,C135
C116,C117,C118,
C119,C124,C125
C103
C102
C111,C112,C115
C101
Recommended
Manufactuer
Assembled
Remarks
Jumper
Variable resistance
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17
部品表(DC/DCコンバータ、GDUサブボード)
Type
Q'ty
Value/Device
Diode
1
40V,5A
Diode
5
200V,1A
FET
transistor
Zener diode
Zener diode
IC
IC
Photocoupler
Fuse
CONNECTER
1
1
1
3
1
1
1
1
1
2SK3587-01MR
2SC2873Y(TE12L,F)
2.2V
15V
TA7805F(TE16L1,NQ)
TA76431F(TE12L,F)
TLP781F(D4-GRF)
SLT250V3.15A
B3B-XH-A(LF)(SN)
TERMINAL
9
HK-2
Heat sink
PCB
1
1
S19225-BP
Y13FE16-41B
Type
Q'ty
Value/Device
Package size
Part Name
Resistor
Resistor
Capacitor
Diode
8
8
8
2
0
10K
Cge
3216
2125
1608
Zener diode
16
DF2S24F
Zener diode
16
R41,R42,R43,R44
R45,R46,R47,R48
C27,C28,C29,C30
D11,D12
ZD1,ZD2,ZD3,ZD4,ZD13,
ZD14,ZD15,ZD16
ZD5,ZD6,ZD7,ZD8,ZD9,
ZD10,ZD11,ZD12
PRELIMINARY
AN-124 ver1.3
Package size
Part Name
D101
D102,D103,D111,
D112,D115
TR101
TR102
ZD101
ZD111,ZD112,ZD115
IC101
IC111
PC1
F101
CN101
TP101,TP102,TP103,
TP104,TP105,TP106,
TP107,TP108,TP109
Recommended
Manufactuer
Assembled
Remarks
Recommended
Manufactuer
Assembled
Remarks
no
no
For active clamp
no
For active clamp
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18
部品表(GDUメインボード)
Type
Q'ty
Value/Device
Package size
Part Name
Resistor
2
1
3216
Resistor
8
6
1608
Resistor
Resistor
Resistor
Resistor
Resistor
Resistor
Resistor
Resistor
Resistor
Resistor
Resistor
Capacitor
Capacitor
Capacitor
2
2
2
2
2
4
4
2
2
6
2
2
2
2
8.2
10
39
50
100
143
287
330
4.7K
10K
47K
220pF
1nF
0.3uF
3216
3216
3216
1608
1608
1608
1608
1608
1608
1608
1608
1608
1608
1608
Capacitor
8
1uF
1608
Capacitor
4
10uF
1608
Capacitor
8
common mode
choke
8
CPFC85NP-WHφ7
Diode
8
CRS12
Diode
transistor
IC
IC
IC
FET
CONNECTER
CONNECTER
CONNECTER
2
2
2
4
4
2
1
2
4
RC2
30V/0.5A
TC74HC04AF
ACPL-339J-000E
IRF7343
SSM6K407TU
XG4A-1031
B6P-VH
B2P-VH
TERMINAL
18
HK-2
R33,R35
R19,R20,R22,R23,R25
R26,R27,R28
R32,R38
R34,R36
R31,R37
R29,R30
R21,R24
R9,R11,R14,R17
R10,R12,R15,R18
R39,R40
R3,R6,
R1,R2,R4,R5,R13,R16
R7,R8
C17,C18
C3,C4
C1,C2
C5,C7,C9,C11,C13,C14,
C15,C16
C6,C8,C10,C12
C19,C20,C21,C22,C23,
C24,C25,C26
NF1,NF2,NF3,NF4,NF5
NF6,NF7,NF8
D1,D2,D3,D4,D5,D7,
D9,D10
D6,D8
Tr1,Tr2
IC1,IC2
IC3,IC4,IC5,IC6
IC7,IC8,IC9,IC10
FET1,FET2
CN1
CN2,CN3
CN4,CN5,CN6,CN7
TP1,TP2,TP3,TP4,TP5,
TP6,TP7,TP8,TP9,
PRELIMINARY
1608
AN-124 ver1.3
Recommended
Manufactuer
Assembled
Remarks
no
sumida
no
For 2 paralell
conection
Hex Inverter
Avago Technologies
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19
GDUサブボードパターンレイアウト 1
Assembly drawing
Board dimensions
PRELIMINARY
AN-124 ver1.3
Top layer pattern
Bottom layer pattern
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20
GDUメインボードパターンレイアウト 1
部品面シルク
PRELIMINARY
AN-124 ver1.3
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21
GDUメインボードパターンレイアウト 2
部品面パターン
PRELIMINARY
AN-124 ver1.3
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22
GDUメインボードパターンレイアウト 3
半田面パターン
PRELIMINARY
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23
GDUメインボードパターンレイアウト 4
基板寸法
PRELIMINARY
AN-124 ver1.3
Unit:mm
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