ゲートドライバは、コントローラICからの低電力入力を受け取り、 IGBTやパワーMOSFETなどの高出力トランジスタのゲート用の高電流駆動入力を生成する電力増幅器です。ゲートドライバは、オンチップまたはディスクリートモジュールとして提供できます。基本的に、ゲートドライバはレベルシフタとアンプの組み合わせで構成されています。ゲートドライバICは、制御信号（デジタルまたはアナログコントローラ）と電力スイッチ（IGBT、MOSFET、SiC MOSFET、GaN HEMT）間のインターフェースとして機能します。統合ゲートドライバソリューションは、設計の複雑さ、開発時間、部品表（BOM）、および基板スペースを削減するとともに、個別に実装されたゲートドライバソリューションよりも信頼性を向上させます。[1]
歴史
1989年、インターナショナル・レクティファイアー（IR）は、世界初のモノリシックHVICゲートドライバ製品を発表しました。この高電圧集積回路（HVIC）技術は、特許取得済みの独自のモノリシック構造を採用し、700Vおよび1400Vを超えるブレークダウン電圧を備えたバイポーラ、CMOS、およびラテラルDMOSデバイスを統合し、600Vおよび1200Vの動作オフセット電圧を実現しています。[2]
このミックスドシグナルHVIC技術を用いることで、高電圧レベルシフト回路と低電圧アナログ・デジタル回路の両方を実装できます。ポリシリコンリングで形成された「ウェル」内に600Vまたは1200Vの高電圧回路を「フローティング」させ、低電圧回路の他の部分とは別に同一シリコン上に配置できるため、ハイサイドパワーMOSFETまたはIGBTは、降圧、同期整流昇圧、ハーフブリッジ、フルブリッジ、三相など、多くの一般的なオフライン回路トポロジーに使用されています。フローティングスイッチを備えたHVICゲートドライバは、ハイサイド、ハーフブリッジ、三相構成を必要とするトポロジーに最適です。[3]
目的
バイポーラトランジスタとは対照的に、MOSFETはオン/オフの切り替えが行われていない限り、一定の電力入力を必要としません。MOSFETの分離されたゲート電極はコンデンサ（ゲートコンデンサ）を形成し、MOSFETがオン/オフされるたびに充電または放電する必要があります。トランジスタがオンになるには特定のゲート電圧が必要であるため、ゲートコンデンサは少なくともトランジスタがオンになるために必要なゲート電圧まで充電される必要があります。同様に、トランジスタをオフにするには、この電荷を消費する必要があります。つまり、ゲートコンデンサを放電する必要があります。
トランジスタのオン/オフを切り替えるとき、非導通状態から導通状態に即座に切り替わるわけではなく、一時的に高電圧をサポートし、高電流を伝導する場合があります。その結果、トランジスタにゲート電流を流してスイッチングさせると、ある程度の熱が発生し、場合によってはトランジスタを破壊するのに十分な熱になることがあります。したがって、スイッチング損失を最小限に抑えるために、スイッチング時間をできるだけ短くする必要があります。一般的なスイッチング時間はマイクロ秒単位です。トランジスタのスイッチング時間は、ゲートを充電するために使用される電流量に反比例します。したがって、数百ミリアンペア、またはアンペア単位のスイッチング電流が必要になることがよくあります。約10～15Vの一般的なゲート電圧では、スイッチを駆動するために数ワットの電力が必要になる場合があります。 DC/DCコンバータや大型電気モーターなど、大電流を高周波でスイッチングする場合、十分に高いスイッチング電流とスイッチング電力を供給するために、複数のトランジスタが並列に配置されることがあります。
トランジスタのスイッチング信号は通常、ロジック回路またはマイクロコントローラによって生成され、その出力信号は通常数ミリアンペアの電流に制限されています。そのため、このような信号で直接駆動されるトランジスタはスイッチング速度が非常に遅く、それに応じて大きな電力損失が発生します。スイッチング中にトランジスタのゲートコンデンサが急速に電流を引き込むと、ロジック回路またはマイクロコントローラに過電流が発生し、過熱を引き起こし、チップの永久的な損傷、あるいは完全な破壊につながる可能性があります。これを防ぐため、マイクロコントローラの出力信号とパワートランジスタの間にゲートドライバが設けられています。
チャージ ポンプは、ハイサイド ドライバのH ブリッジで、ハイサイド n チャネルパワー MOSFETおよびIGBT のゲートを駆動するためによく使用されます。これらのデバイスはパフォーマンスが良いために使用されますが、電源レールより数ボルト高いゲート駆動電圧が必要です。ハーフ ブリッジの中央が低くなると、ダイオードを介してコンデンサが充電され、この電荷を使用して、ハイサイド FET のゲートをソース ピンまたはエミッタ ピンの電圧より数ボルト高く駆動し、FET をオンにします。この戦略は、ブリッジが定期的に切り替えられる場合に有効であり、別の電源を稼動させる複雑さを回避し、より効率的な n チャネル デバイスをハイ スイッチとロー スイッチの両方に使用できるようになります。
参考文献
- ^ https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-Selection_Guide_Gate_Driver_ICs-SG-v01_00-EN.pdf?fileId=5546d46250cc1fdf015110069cb90f49 [ベア URL PDF ]
- ^ 「ゲート ドライバ IC - Infineon Technologies」。
- ^ https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-Selection_Guide_Gate_Driver_ICs-SG-v01_00-EN.pdf?fileId=5546d46250cc1fdf015110069cb90f49 [ベア URL PDF ]
外部リンク
- IGBTおよびMOSFET用ゲートドライバIC
- パワーMOSFETゲートドライバ
