非対称TVSダイオードを使用して、重要な回路を破壊的な電圧過渡から保護する

過渡電圧スパイクやサージは、軽微な問題から重大な不具合に至るまで、電子回路にさまざまな影響を及ぼします。このような過渡現象は、雷や静電放電、誘導放電などから発生する可能性があります（図1）。

図1：過渡現象は雷や静電放電、誘導放電などから発生し、保護されていない電子機器に大損害を与える可能性があります。（画像提供：Littelfuse Inc.）

このような過渡現象は、ピーク電圧が数百から数万ボルト、電流がキロアンペア範囲、持続時間が数百ナノ秒からミリ秒のパルスを発生させることがあります。

ICやプロセッサの小型化、および電源電圧の低減により、電気的過渡現象に対する感度が高まっています。これは特に、エンジン、ステアリング、ブレーキ、空調、エンターテイメントなど、あらゆるものを複数の電子システムが制御している自動車に当てはまります。

高感度回路を保護するために、シールド配線、フィルタ、クローバ、クランプ装置など、いくつかの設計戦略が開発されてきました。シールドとフィルタリングはパッシブ設計を使用し、クローバやクランプ保護はアクティブメカニズムを使用します。スパークギャップ、ガス放電管、サイリスタなどのクローバ装置は、回路を保護するために過渡電流/電圧をグランドにシャントします。保護されたデバイスは、クローバがアクティブな間は機能しませんが、過渡現象が収まると正常に動作します。

クランプ装置には、金属酸化物バリスタ（MOV）、ツェナーダイオード、過渡電圧抑制（TVS）アバランシェダイオードなどがあり、インピーダンスを変化させることで保護デバイス全体の電圧を一定に保ちます。これらの技術は単独でまたは同時に使用可能です。TVSダイオードは、その高速応答時間と高消費電力により、クランプ装置として広く採用されています。

過渡電圧抑制ダイオード

TVSダイオードはアバランシェダイオードであり、印加電圧がそのアバランシェ降伏電圧を超えると過剰電流をシャントするクランプ装置として機能します。このダイオードは電圧を一定電位に保持またはクランプします。印加電圧が降伏電圧値を下回ると自動的にリセットされます。

TVSダイオードは、単一極性の過渡現象から保護する一方向デバイスと、いずれの極性の過渡現象からも保護する双方向デバイスとして利用可能です（図2）。双方向コンポーネントは、いずれの極性においても同じ電圧振幅をクランプする対称型と、過渡現象の極性によって異なる電圧レベルにクランプする非対称型があります。

図2：3種類のTVSデバイスの電流/降伏電圧特性と回路記号を示しています。（画像提供：Littelfuse Inc.）

一方向TVSダイオードはシンプルなダイオードのように動作し、順方向バイアス時には導通し、逆方向バイアス時にはダイオードの降伏電圧（V_BR）を超えるまで導通しません。印加電圧がV_BRを超えると、ダイオードは導通し、ダイオードの電圧をクランピング電圧（V_C）に保持します。ダイオードは、ピークパルス電流（I_PP） x V_Cの最大電力を消費することができます。

双方向TVSダイオードは、背中合わせに接続された2つのダイオードとして動作します。どちらかの方向で降伏電圧（V_BR）を超えるまで、小さな逆方向リーク電流（I_R）が流れます。どちらのバイアス条件でも降伏電圧の大きさは同じなので、動作は対称的です。

非対称TVSダイオードは、双方向デバイスと同様に動作しますが、降伏電圧（V_BR1とV_BR2）が異なります。

非対称TVSダイオード

なぜ非対称TVSダイオードが必要なのかと思われるかもしれません。これらの部品は、シリコンカーバイド（SiC）MOSFETのゲートドライバを保護するために設計されました。SiCスイッチは高速であるため、これらのドライバは過電圧過渡による損傷を受けやすくなります。車載充電またはトラクションインバータ用のSiC MOSFETを考えてみましょう（図3）。

図3：SiC MOSFETスイッチのゲートドライバを保護する非対称TPSMB1505CA TVSを示しています。（画像提供：Littelfuse Inc.）

非対称のLittelfuse TPSMB1505CA TVSは、MOSFETのゲートドライバを保護するために使用されます。ゲートドライバには2つの状態があります。オン状態ではゲート電圧が-5Vから+10Vの間であり、オフ状態ではゲートが-10V未満に駆動されます。TPSMB1505CAの定格カソード（K） - アノード（A）降伏電圧は16.7～18.5Vで、最大クランプ電圧は24.4Vです。この方向のI_ppは、10～1000マイクロ秒（μs）の過渡パルス持続時間で24.6Aです。

TVSのA - K降伏電圧は6.8～7.4Vで、最大クランプ電圧は11.5Vです。この方向のピークパルス電流は、同じ10～1000μsの過渡パルス持続時間で60Aです。この動作は単一の部品で実現されています。個々のデバイスでこの非対称動作を実現するには、複数の部品が必要になります。

LittelfuseのTPSMB非対称シリーズ TVSダイオード（図4）には、K - A降伏電圧が異なる2つの部品が追加されています。TPSMB1805CAは、20.0～21.1VのK - A降伏電圧範囲と29.2Vの最大クランプ電圧を提供します。I_pp定格は、10～1000μsのパルス持続時間で20.6Aです。A - K降伏電圧範囲はTPSMB1505CAと同じ（6.8～7.4V）です。

図4：TPSMB非対称デバイスは面実装DO-214AAパッケージに収められており、デバイスのK側を示す切り込みバーがあります。（画像提供：Littelfuse Inc.）

TPSMB2005CAのK - A降伏電圧範囲は22.2～24.5Vで、最大クランプ電圧は32.4Vです。I_pp定格は、他のダイオードと同じパルス持続時間で18.6Aです。A - K降伏電圧範囲はTPSMB1505CAと同じです。

3つのTVSダイオードはすべて、10～1000μsの波形持続時間で600Wのピークパルス電力定格を備え、車載用AEC-Q101認定を受けています。これらのダイオードはDO-214AA面実装パッケージに収められており、基板スペースを最適化し、ダイオードを回路コンタクトの近くに配置することで、可能な限り最高の保護を実現します。パッケージの切り込みバーは、デバイスのK側を示します。

まとめ

TPSMB対称およびTPSMB非対称TVSシリーズは、雷や静電放電、誘導放電による電圧過渡から高感度な電子回路を保護するのに最適です。TPSMB非対称デバイスは、単一のTVS部品でターンオンとターンオフの両方の駆動レベルをカバーするため、高速SiCスイッチのゲートドライバ保護に特に適しています。