ゲートドライバ

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などの高電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。本質的には、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、およびGaN HEMT )間のインターフェイ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同時に、個別に実装されたゲートドライブソリューションよりも信頼性を向上させます。^[1]

1989年、インターナショナル・レクティファイアー（IR）は、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。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と1400Vを超えるブレークダウン電圧を持つバイポーラ、CMOS、ラテラルDMOSデバイスを統合し、600Vと1200Vの動作オフセット電圧を実現します。^[2]

このミックスドシグナル HVIC 技術を使用すると、高電圧レベルシフト回路と低電圧アナログおよびデジタル回路の両方を実装できます。600 V または 1200 V を「フローティング」できる高電圧回路 (ポリシリコン リングで形成された「ウェル」内) を、低電圧回路の残りの部分から離れた同じ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、同期昇圧、ハーフブリッジ、フルブリッジ、3 相など、多くの一般的なオフライン回路トポロジに存在します。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、3 相構成を必要とするトポロジに適しています。^[3]

バイポーラ トランジスタとは対照的に、MOSFET はオンまたはオフに切り替えられない限り、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 がオンまたはオフに切り替えられるたびに、このコンデンサを充電または放電する必要があります。トランジスタをオンにするには特定のゲート電圧が必要なので、ゲート コンデンサは、トランジスタをオンにするために必要なゲート電圧以上に充電する必要があります。同様に、トランジスタをオフにするには、この電荷を消散させる必要があります。つまり、ゲート コンデンサを放電する必要があります。

トランジスタのスイッチをオンまたはオフにすると、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を動作させると、一定量の熱が発生し、場合によってはトランジスタを破壊するほどの熱が発生します。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 [de]。一般的なスイッチング時間はマイクロ秒の範囲です。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、数百ミリアンペアの範囲、またはアンペアの範囲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の場合、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を並列に配置することがあります。

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、通常、数ミリアンペアの電流に制限された出力信号を提供します。したがって、このような信号によって直接駆動されるトランジスタは、スイッチングが非常に遅くなり、それに応じて電力損失が大きくなります。スイッチング中に、トランジスタのゲートコンデンサが電流を非常に速く引き込むため、ロジック回路またはマイクロコントローラで電流の過剰引き込みが発生し、過熱が発生してチップが永久的に損傷したり、完全に破壊されたりすることがあります。これを防ぐために、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ていますが、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 ブリッジの中心が低くなると、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 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、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、別の電源を稼働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ます。

• 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