TVSダイオード技術資料

技術資料（TVSダイオード編） J531-1 rev.1(2019.12)

１． TVS ダイオード 1-1. TVS ダイオードの概要 1-1-1. TVSダイオードとは TVSダイオードは、シリコン PN接合の逆方向アバランシェ降伏現象を応用したクランプ型のサージ保護素子 です。一般の定電圧素子であるツェナーダイオードに比べ、逆方向に大きなサージ電流を流せるのが特長です。 図１に TVS ダイオードの電圧-電流特性を示します。第一象 限の特性を利用します。OFF時と ON時の顕著な非線形特性を 有していることから、サージに対する応答特性が速く、安定し たクランプ電圧を得ることができます。 当社 TVSダイオードのチップ構造については、独自の化学 的物理的に安定したガラスパッシベーション使用しており、耐 湿性、耐熱性に優れた構造です。 図 1 電圧-電流特性 図２に TVSダイオードの使用例を示します。 被保護回路の前段に、並列に TVS ダイオードを入れます。サージ電圧が発生し、TVS ダイオードの耐圧を越 えると TVSダイオードに電流が流れ、非保護回路に印加される電圧は VCL以下に抑えられます。 なお、TVSダイオードは定電圧用途でのご使用は想定しておりませんので、ご注意下さい。また、連続サージ 印加状況でのご使用につきましては担当営業までお問合せ下さい。 IS：サージ電流、VS：サージ電圧、VCL：クランピング電圧、Z：等価サージインピーダンス 図２ サージ等価回路

1-1-2. TVSダイオードの選定方法 1) 連続印加電圧 VRMの選定 被保護回路に定常時印加されるピーク電圧値以上の VRM定格の素子を選定して下さい。 2) せん頭サージ逆電流の選定 図２の等価回路において TVSに流れるサージ電流 ISは、IS=(VS-VCL)/Z により求められます。 求められた IS以上の IRSM定格を持つ素子を選定して下さい。 3) 動作開始電圧 VBRの選定 TVSは、素子に流れるサージ電流 ISによってクランピング電圧 VCLが変動します。せん頭サージ逆電流- クランピング電圧特性図が素子ごとにありますので、使用回路で想定されているサージ電圧 VSと等価サ ージインピーダンス Z にて計算された ISでの VCLが、被保護回路の許容電圧以下である素子を選定して 下さい。せん頭サージ逆電流-クランピング電圧特性図において IRSM=1mA点の VCLが動作開始電圧 VBR となります。 （1-3-1項の「せん頭サージ逆電流‐クランピング電圧特性図」に関する説明もご参照ください） 4) 接合容量 Ctの確認 素子ごとの接合容量 f-Ct特性図、接合容量 VR-Ct特性図をご参照下さい。また、信号品質への影響がな いかをご確認ください。 1-2. 特性用語一覧 1-2-1. 絶対最大定格（瞬時であっても超えてはならない値） 表 1 絶対最大定格 項 目 記 号 用 語 の 説 明 保存温度 Tstg 素子非動作中に超えてはならない保存周囲温度 Storage temperature 接合部温度 Tj 素子動作中に超えてはならない接合部温度 Junction temperature せん頭サージ逆電力 PRSM 指定条件にて許容し得る逆方向電力ピーク値 Maximum surge reverse power PRSM ＝ VCL × IRSM せん頭サージ逆電流 IRSM 指定条件にて許容し得る逆方向電流ピーク値 Maximum surge reverse current 連続印加電圧 VR(DC) 連続印加可能な逆電圧の最大許容電圧ピーク値 Continuous (direct) reverse voltage

1-2-2. 電気的・熱的特性 表 2 電気的・熱的特性 項 目 記 号 用 語 の 説 明 動作開始電圧 VBR 指定条件にてダイオードに規定の逆電流を流した時の逆方向 Breakdown voltage 電圧 クランピング電圧 VCL 指定条件にてダイオードに定格値のせん頭サージ逆電流を印 加時の逆方向電圧ピーク値 逆電流 IR 規定条件にて、逆電圧を印加した時に流れる電流値 Reverse current 熱抵抗 Rth(j-x) 規定条件にて、定常状態での熱の伝導の度合いを表す数値 Thermal resistance または 1W 当たりに接合部と x 間で生じる温度差 Rth(j-a) : 接合部と周囲間の定常熱抵抗 Rth(j-l) : 接合部とリード間の定常熱抵抗 1-3. 電気的特性 表３ TVSダイオード定格表（例） 項 目 記 号 条 件 規格値 単位 保存温度 Tstg -55～175 ℃ Storage temperature 接合部温度 Tj -55～175 ℃ Operating Junction temperature せん頭サージ逆電流 IRSM 10/1000μs 非繰り返し 10 A Maximum surge reverse current せん頭サージ逆電力 PRSM 10/1000μs 非繰り返し 400 W Maximum surge reverse power 連続印加電圧 VRM 23 V Maximum reverse voltage 動作開始電圧 VBR IR=1mA、パルス測定 Min. 24.3 V Breakdown voltage Typ. 27.0 Max. 29.7 逆電流 IR VR=23V、パルス測定 Max. 5 µA Reverse current 熱抵抗 Rth(j-l) 接合部・リード間, プリント基板実装 Max. 23 ℃/W Thermal resistance Rth(j-a) 接合部・周囲間, プリント基板実装 Max. 157 ℃/W 1-3-1. せん頭サージ逆電流‐クランピング電圧 せん頭サージ逆電流‐クランピング電圧特性図を図 3 に示し ます。縦軸をせん頭サージ逆電流 IRSM、横軸をクランピング電 圧 VCLとした片対数グラフで表しています。 指定波形で逆方向サージ電流印加した時、クランピング電圧 が何 Vになるかを示しています。代表値での記載になりますの で、被保護回路を確実に保護するためには、VBR規定条件であ る1mA点にてVBR MAX値まで特性ラインを平行移動してご確 図 3

認ください。 また、後述の通り、温度に対する変化もありますので、図 4 の動作開始電圧特性図も参照する必要があり ます。 指定波形は、せん頭サージ逆電力・せん頭サージ電流の条件と同じ波形となります。 上記クランピング電圧特性は、電流波形が 10/1000μs の場合の特性となります。実際に印加されるサージ 波形が上記と異なる場合がありますので、ご注意ください。 1-3-2. VBR-Tj特性 動作開始電圧の温度依存性を図 4に示します。縦軸を動作開 始電圧 VBR、横軸を接合部温度 Tj としたグラフで表していま す。当社ラインナップ品は、温度が上がると VBR値は上昇して いく特性となります。代表値での記載になりますので、被保護 回路を確実に保護するためには、VBR規定温度である Tj=25℃ 点にて VBRMAX 値まで特性ラインを平行移動してご確認くだ さい。 図 4 また、前述の通り、せん頭サージ逆電流に対する変化もありますので、図 3のせん頭サージ逆電流‐クラン ピング電圧特性図も参照する必要があります。 1-3-3. IR-Tj特性 逆電流の温度依存性を図 5に示します。縦軸を逆電流 IR、横 軸を接合部温度 Tjとした片対数グラフで表しています。 逆方向特性は温度係数が正(温度が高いほど IRが大きくな る)という特長があります。 図 5

1-3-4. せん頭サージ逆電流耐量 パルス幅 tp に対するせん頭サージ逆電流耐量 IRSMの依存性 を図 6に示します。縦軸に IRSM、横軸にパルス幅 tpとした両 対数グラフで示しています。定格表に示される 10/1000μs時 の耐量は 10A です。図 6 から 10/1000μs 波形は 1ms の tp と近似できるので 1ms 時の耐量は同様に 10A となっていま す。 図 6 1-3-5. 接合容量 f-Ct 周波数 f に対する接合容量 Ct の依存性を図 7 に示します。 縦軸に接合容量 Ct、横軸に周波数 fとした両対数グラフで示し ています。 連続印加電圧定格 VRM値での接合容量 Ct の周波数 f の依存 性を示しています。後述のように Ctは VRに対する依存性もあ りますので、図 8の接合容量 VR-Ct 特性図も参照する必要が あります。 図 7 1-3-6. 接合容量 VR-Ct 逆電圧 VRに対する接合容量 Ctの依存性を図 8に示します。 縦軸に Ct、横軸に逆電圧 VRとした両対数グラフで示していま す。 基本的に f=100kHzの条件でCtの逆電圧VRに対する依存性 を示しています。前述のように Ct は周波数 f に対する依存性 もありますので、図 7の接合容量 f-Ct 特性図も参照する必要 があります。 図 8

1-3-7. 過渡熱抵抗 基本的な熱計算の考え方はダイオードと同様、損失 Pave(W) を求め、Tj MAXを超えないように設計してください。 ただし、PRSM・IRSMは熱計算対象外です。判断が難しい場合 は、担当営業までお問い合わせ下さい。 図 9 1-4. 接合部温度の推定 1-4-1. 熱抵抗 素子の動作時に発生する電力損失は、全て熱に変換され、接合部温度を上昇させます。設計された放熱系 （放熱フィンなど）で、カタログ規格表に指定される Tj MAX以下に接合部温度が抑えられているかを確認 し、Tj MAXを超える場合は、放熱フィンや周囲温度条件の見直しを行わなければなりません。 モールド樹脂などで密閉されたTVSダイオードチップの接合部温度を直接測定することはできませんので、 外部温度より接合部の温度を推定する必要があります。この推定に使われるのが熱抵抗 Rthで、ダイオード の消費電力（電力損失）に対する熱伝導の抵抗度合いを表します。この接合部から周囲（外気）への熱の伝 導経路は、図 10 のような電気的等価回路で表されます。カタログ定格表や特性図に出てくる温度および熱 抵抗は、添字によりどの位置なのかを表します。 Cjc CS Cc (ダイオードチップ) 放熱系 接合部 (放熱フィンなど) Rth(j-c) ケース Rth(S) Rth(c) (パッケージ外面) Rth(c-f) C R ca th(f-a) Cfa Rth(c-a) 周囲温度 図 10 熱抵抗等価回路

それぞれの添字は、下記のような位置を表します。 Rth(j-c)：接合部-ケース間の熱抵抗 Cjc：接合部-ケース間の熱容量 Rth(S)：絶縁板の熱抵抗 Cs：絶縁板の熱容量 Rth(c)：ケース-放熱フィンの接触熱抵抗 Cc：ケースの接触熱容量 Rth(c-f)：ケース-放熱フィン間の接触熱抵抗 Cfa：放熱フィン-周囲間の熱容量 Rth(f-a)：放熱フィン-周囲間の熱抵抗 Cca：ケース-周囲間の熱容量 Rth(c-a)：ケース-周囲間の熱抵抗 Tjは TVSダイオードの接合部の温度のことであり、Rth(j-c)は接合部とケースの間の熱抵抗のことです。 実際に TVSダイオードに印加される電圧・電流より、順方向損失・逆方向損失を求めます。両損失を足し た値が、TVSダイオードトータル損失となります。トータル損失に熱抵抗 Rth(j-□)を掛けた値が、TVSダ イオードの接合部と対象箇所（位置）間の温度差となります。 1-4-2. 付記 当社では 2017 年度より、JEITA ED4511B に従って、従来使用していた特性記号を一部変更いたしまし た。読み替えの際は、下表を参照して下さい。 新 表 記 旧 表 記 備 考 熱抵抗 Rth(j-x) 熱抵抗θjx 同義 Thermal resistance Thermal Resistance 過渡熱抵抗は Zth(j-x)で表す 接合容量 Ct 接合容量 Cj 同義 Total capacitance Junction Capacitance