フォトカプラTLP250Hをつかった絶縁ゲートドライバ基板を作ってみた

TLP250Hを使用したゲートドライバ基板 自作基板
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パワエレ(パワーエレクトロニクス)を勉強したくて、絶縁ゲートドライバとして使用できるタイプのフォトカプラTLP250Hを使った基板を作ってみました。

基板設計ソフトはKiCAD、製造は中国の基板メーカーであるElecrowで製造してもらいました。

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ゲートドライバとは

ゲートドライバは、大電力用のパワーMOSFETやIGBTなどのゲートを駆動するためのパワーアンプのようなものです。文字どおりゲートを駆動する回路ですね。

小型のMOSFETなどはマイコンの出力でON・OFFできますが、パワーMOSFETでは、必要なゲート電圧が高かったり、ゲート容量(コンデンサのようなもの)が大きいため、素早く充放電するためにゲートドライバが必要です。

また、Hブリッジ回路などで、ハイサイド側のMOSFETをONする場合は、マイコンから絶縁されたゲートドライバが必要です。

東芝:TLP250Hについて

今回使用する東芝製のTLP250Hは、入力回路と絶縁しつつ、MOSFETのゲートドライバとして使用できるバッファロジック出力タイプのフォトカプラです。

TLP250Hのクローズアップ

TLP250Hの主な仕様

電源電圧:10~30V
出力ピーク電流:±2.5A
伝搬遅延時間:500ns(0.5μs)
立ち上がり、立ち下がり時間:50ns
絶縁耐圧:3750V

TLP250Hは秋月電子で購入することが出来ます。

回路図

今回製作した基板の回路図はこちらになります。

TLP250Hを使ったゲートドライバ基板の回路図

入力信号側(J1)はLEDのようなものなので、電流制限抵抗R1と、ノイズでの誤動作防止用にR2を付けています。

電源はJ2コネクタです。ハイサイド側のMOSFETに繋ぐ場合は、絶縁された電源が必要です。
絶縁タイプのDCDCコンバーターを基板に載せても良かったですね。

出力はJ3コネクタです。ゲート抵抗としてR3(10Ω)を付けています。使用するMOSFETによって調整が必要です。

部品リスト

品名参照名数量数値・仕様規格・フットプリント
ゲートドライバICU11TLP250H
東芝
ゲートドライバ用フォトカプラ
DIP-8_W7.62mm
電源電圧:10V~30V
秋月電子:I-08042
抵抗R11220Ωアキシャルリード(DIN0207)
P10.16mm 1/4Wサイズ
抵抗R211kΩアキシャルリード(DIN0207)
P10.16mm 1/4Wサイズ
抵抗R3110Ωアキシャルリード(DIN0207)
P10.16mm 1/4Wサイズ
抵抗R4110kΩアキシャルリード(DIN0207)
P10.16mm 1/4Wサイズ
コンデンサC110.1uF
(104)
1608サイズ
秋月電子:P-13374
コンデンサC211uF
(105)
フィルムコンデンサ
D9mm_W6.4mm_P5.0-7.5mm
秋月電子:P-09792
コンデンサC31100uF電解コンデンサ
直径:6.3mm、ピッチ2~2.5mm
秋月電子:P-10271
ターミナルブロックJ1-J33汎用端子台2pin、5.08mmピッチ
秋月電子:P-01306

KiCADで基板設計

今回もKiCADで基板設計をしてみました。
基板サイズは、33mm×50mmです。

部品レイアウト
C面部品配置図
S面部品配置図
基板の3D表示
KiCADの3D表示:C面
KiCADの3D表示:S面

99mm×100mmのサイズに多面取り(パネライズ)した状態で発注します。

KiCADの3D表示:多面取りC面
KiCADの3D表示:多面取りS面

届いた基板

中国の基板メーカーであるElecrowに発注して、基板を製造してもらいました。
到着した基板がこちらになります。

Elecrowで製造してもらった基板

この基板は、下記の1ドルキャンペーンの時に作ってもらいました。
(鉛フリー半田レベラーなので実際は3ドル。でも十分安いですよね。)

組み立て

組み立て後の基板の写真です。

TLP250Hを使ったゲートドライバ基板:組み立て後
TLP250Hを使ったゲートドライバ基板:裏面

部品が少ないので作るのが楽でした。
しかし、MOSFETの数だけ必要なため、フルブリッシ回路を駆動するためには4つ作る必要があります。

動作確認

オシロスコープでパルス電圧を入力した時の出力電圧を確認してみました。

TLP250Hを使ったゲートドライバ基板:動作確認

電源電圧は15V
出力側の負荷には、データシートと同様にMOSFETのゲート容量を模擬してコンデンサ0.01μF(10nF)を接続しています。

10kHz、5Vの矩形波を入力してみました。(Ch:1)

10kHzでの動作波形

出力(Ch:2)に正常に15Vの矩形波が出力されています。

拡大して立ち上がり、立ち下がり時間などを確認してみます。

波形:立ち上がり時間(Tr)確認

立ち上がり時間(Tr)は約220nsでした。(10%→90%の変化時間で規定)
データシートだと標準50nsですが、電源電圧やゲート抵抗の条件が違うせいかもしれません。

波形:立ち上がりの伝搬遅延時間(TpLH)確認

立ち上がりの伝搬遅延時間(TpLH)は約330nsでした。(50%までの変化時間で規定)
こちらは、データシート記載の(MIN100ns~MAX500ns)平均的な値ですね。

念のため、立ち下がりの方も確認してみました。

波形:立ち下がり時間(Tf)確認

立ち下がり時間(Tf)は約230nsでした。(90%→10%の変化時間で規定)
立ち上がりとほぼ同じですね。

波形:立ち下がりの伝搬遅延時間(TpHL)確認

立ち下がりの伝搬遅延時間(TpHL)は約330nsでした。
こちらも立ち上がりとほぼ同じです。

まとめ

東芝製のフォトカプラTLP250Hをつかって、絶縁ゲートドライバ基板を作ってみました。

次はこれを利用して、先日作ったMOSFETのハーフブリッジ基板と組み合わせて動かしてみようと思います。

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