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 © Fuji Electric Co., Ltd. All rights reserved. 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 © Fuji Electric Co., Ltd. All rights reserved. 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) © Fuji Electric Co., Ltd. All rights reserved. 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。 PRELIMINARY AN-124 ver1.3 © Fuji Electric Co., Ltd. All rights reserved. 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 AN-124 ver1.3 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。 © Fuji Electric Co., Ltd. All rights reserved. 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 PRELIMINARY AN-124 ver1.3 N © Fuji Electric Co., Ltd. All rights reserved. 7 4in1 IGBTモジュール動作説明 T1 T2 T3 T4 PRELIMINARY AN-124 ver1.3 © Fuji Electric Co., Ltd. All rights reserved. 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 PRELIMINARY AN-124 ver1.3 © 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: 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 PRELIMINARY AN-124 ver1.3 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: 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 PRELIMINARY VGE 5V/div VCE 100V/div AN-124 ver1.3 t 500ns/div t 500ns/div © Fuji Electric Co., Ltd. All rights reserved. 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。 PRELIMINARY AN-124 ver1.3 © 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 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。 PRELIMINARY AN-124 ver1.3 © Fuji Electric Co., Ltd. All rights reserved. 13 DC/DCコンバータ回路構成 PRELIMINARY AN-124 ver1.3 © Fuji Electric Co., Ltd. All rights reserved. 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 PRELIMINARY AN-124 ver1.3 © Fuji Electric Co., Ltd. All rights reserved. 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 PRELIMINARY AN-124 ver1.3 © Fuji Electric Co., Ltd. All rights reserved. 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 © Fuji Electric Co., Ltd. All rights reserved. 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 © Fuji Electric Co., Ltd. All rights reserved. 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 © Fuji Electric Co., Ltd. All rights reserved. 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 © Fuji Electric Co., Ltd. All rights reserved. 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 © Fuji Electric Co., Ltd. All rights reserved. 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 © Fuji Electric Co., Ltd. All rights reserved. 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 AN-124 ver1.3 © Fuji Electric Co., Ltd. All rights reserved. 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 © Fuji Electric Co., Ltd. All rights reserved. 24