IGBTパワーデバイス｜応用編
IGBT IPM：保護機能と動作シーケンス IGBT IPMのエラー出力機能（FO）
2023.07.25
この記事のポイント
・FO端子はエラー出力機能端子で、搭載されている保護機能の作動を外部に通知し、自身の保護のため下側アーム全相のIGBTをオフにする。
・FO出力は、作動した保護の種類によって信号出力時間が異なるので、どの保護が作動したかが判別可能で、これは当機種から搭載された機能。
・FO端子の入力としての機能として、FO端子にRCを接続し時定数を調整することで、下側アーム全相のIGBTオフ期間を拡張することができる。
・これは、FO出力を絶縁素子を介してMCUに入力する場合、出力時間絶縁素子の伝搬遅延時間がFO出力のLレベル最小時間より長いときに、遅延に合わせてFO出力時間を拡張するのに利用できる。
今回は、「保護機能と動作シーケンス」に関する説明の5つ目となる、「エラー出力機能（FO）」についてです。
- 短絡電流保護機能（SCP）
- 制御電源電圧低下時誤動作防止機能（UVLO）
- 熱遮断保護機能（TSD）*BM6337xSのみ搭載
- アナログ温度出力機能（VOT）
- エラー出力機能（FO）
- 制御入力（HINU、HINV、HINW、LINU、LINV、LINW）
エラー出力機能（FO）
FO端子はエラー出力機能用端子で、搭載されている保護機能の作動を外部に通知し、また自身の保護のため下側アーム全相のIGBTをオフにします。
このIGBT IPMシリーズには、上記にあるようにLVIC（下側IGBTゲートドライバ）部の保護機能として、SCP（短絡電流保護）、UVLO（制御電源電圧低下誤動作防止）、TSD（熱遮断保護機能 *BM6337xSのみ）が搭載されており、保護機能が作動するとFO端子はHレベルからLレベルに遷移することは、各保護機能の説明で示した通りです。
以下にMCUとの接続例も含めたブロック図を示します。赤線で囲った端子がFO端子です。FO端子はIOとして構成されており、出力はオープンドレイン出力、入力はシュミットトリガバッファ入力になっています。この入力はFO端子の入力レベルをモニタしており、Lレベルの期間下側アーム全相のIGBTをオフにします。また、FO端子にコンデンサと抵抗を外付けすることで、下側アームオフ時間を拡張することができます。
なお、HVIC（上側IGBTゲートドライバ）部にもUVLO機能が搭載されていますが、ブロック図が示すようにFO出力には関係しません。したがって、HVICのUVLOが作動してもFO出力の電圧レベルに変化はありません。詳細は「制御電源電圧低下時誤動作防止機能（UVLO）」を参照してください。
以下、FO端子の出力機能と入力機能についてそれぞれ説明します。
FO端子の出力機能
前述の通り、FO端子はLVICの保護機能が作動すると、電圧レベルがHからLに遷移し、保護機能の作動を通知します。このFO出力を利用してMCUにIGBT IPMの保護機能が作動したことを通知し、その対処や記録が可能です。
FO出力は以下の表およびタイミングチャートが示すように、作動した保護の種類によって信号出力時間（Lの期間）が異なります。これは当シリーズから搭載された機能で、信号の時間を測定することでどの保護が作動したかが判別可能です。これにより、障害の発生（保護機能の作動）だけではなく、どの保護機能が作動したかについても認知・記録することができます。また、各信号の出力時間設定より保護が作動している時間が長い場合は、その期間中Lを維持します。
FO端子はオープンドレイン出力です。したがって、プルアップが必要です。FO端子の絶対最大定格は、印加電圧VFOが-0.5V～Vcc+0.5V（FO-GND端子間）、シンク電流IFOは1mAなので、この範囲内でプルアップ電圧と抵抗を決めます。IFOはプルアップ電源電圧/プルアップ抵抗値で概算できます。また、絶対最大定格だけはなく、FO端子の出力仕様と接続するMCUの入力仕様（VIL、VIHなど）を考慮する必要があります。以下に、FO出力の規格値とFO端子のV-I特性を示します。
例えば5Vにプルアップする場合、プルアップ抵抗は10kΩを推奨します。この場合シンク電流は最大定格の半分程度で十分な余裕があり、リーク電流IFOLEAKの影響を受けるHレベルも、5V－10kΩ・10µA=4.9Vなので、5V系のロジックレベルとしては十分です。
FO端子の入力機能
FO端子は、内部で下側アーム全相のIGBTをオフするための入力に接続しているため、入力としての機能も持っています。これを利用して、FO端子に抵抗R2とコンデンサC2を接続し、C2の充電時間を調整することで、下側アーム全相のIGBTオフ期間を拡張することができます。
これは、FO出力をフォトカプラなどの絶縁素子を介してMCUに入力する場合、出力時間絶縁素子の伝搬遅延時間がFO出力のLレベル最小時間（45µs:SCP）より長いときなど、フォトカプラによる信号の伝搬遅延に合わせてFO出力時間を拡張する際に利用できます（下図およびタイミングチャート参照）。
接続するRCの時定数は、FO端子の入力仕様を参照して調整します。下表の各閾（しきい）値とヒステリシスを考慮します。
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