フルブリッジMOSFETドライバーの選択と設計ガイド

投稿日二月 11, 2022
更新日六月 25, 2023

安定した直流電圧と電流による電力供給は、電力レギュレーター／コンバーター、モータードライバー、照明やパルス生成回路などの他のアプリケーションにとって重要です。低電力システムに取り組む設計者の中には、低電力コンバーターのトポロジーを高電力システムにスケールアップしようと試みる人もいますが、これは設計者にとってうまくいきません。標準的なコンバーター／レギュレーターのトポロジーで電力を供給しようとすると、必然的に部品の故障、電力供給不足、または効率の低い大型システムにつながります。

中～高直流電力供給には、ブリッジトポロジー、特にMOSFETを使用したフルブリッジトポロジーがより良い選択です。スイッチング要素として使用されるMOSFETは、比較可能なIGBTに比べて、オン状態抵抗が低く、消費電力が少なく、耐圧が高く、飽和電流が高いという利点があります。このトポロジーでMOSFETを使用するには、PWM信号でトランジスタを切り替えるためのフルブリッジMOSFETドライバーが必要です。これらのコンポーネントは、高電流負荷を駆動するための小型で高度に統合されたオプションを設計者に提供します。

フルブリッジMOSFETドライバーの理解

商業グレードのモーターや電力コンバーターでの電力供給に使用される標準トポロジーは、多くのスイッチングトポロジーの一つです。スイッチングコンバーターの設計者は、一つ以上のスイッチングトランジスタを使用して電力出力を調整し、出力電圧レベルを設定する、標準的なバック、ブースト、バックブースト、フライバックコンバータートポロジーに精通している可能性があります。これらのコンポーネントは、これらのシステムが一般的に高電力DC-DC変換やモーターでの電力供給には使用されないため、高度に統合されています。

これらのコンポーネントが重要であり、どのように使用されるかを理解するには、フルブリッジMOSFETドライバーの2つの最も一般的なアプリケーションであるLLC共振コンバーターとモータードライブを見ると役立ちます。

例：フルブリッジLLC共振コンバーター

代わりに、高電力コンバーターやモータードライバーは、スイッチングトランジスタのハーフブリッジまたはフルブリッジ構成を使用します。モーターや電力コンバーターのドライバーコンポーネントは、PWM信号でフルブリッジまたはハーフブリッジ回路の各側を切り替え、負荷に電力を供給するように設計されています。高電力MOSFET用のフルブリッジゲートドライバーは、基本的に個々のトランジスタ用の複数のゲートドライバーICを単一のチップに統合します。下の回路図は、LLC共振コンバーターでスイッチング要素として使用される4つのMOSFETを備えたフルブリッジドライバーICを示しています。

このシステムでは、フルブリッジドライバーの役割はPWM信号を増幅し、これを使用して4つのトランジスタをONとOFFに切り替えることです。一度にONになるトランジスタは2つだけです。このトポロジーでは、プライマリコイル側では、ドライバICが左側のハイサイドと右側のローサイドのトランジスタを同時にONにし、他のトランジスタはOFFのままです。次のサイクルでは、4つのトランジスタの状態が切り替わります。最終的に、コイルのセカンダリ側では、出力電圧がダイオードで整流され、安定したDC電圧が得られます。

他のコンバータトポロジーと同様に、出力電流を感知して入力にフィードバックし、PWM信号を調整して安定した調整を保証することができます。フルブリッジMOSFETドライバICの有効機能を含む任意の制御機能は、MCUまたは専用ロジックで実装されます。非常に似たトポロジーを使用して、大型DCモーターで安定した電力調整を提供することができます。

上記の電力変換アプリケーションでは、純粋なハーフブリッジ（例えば、ハーフブリッジLLC共振コンバータ）を実装することができます。ハーフブリッジおよびフルブリッジドライバは、後述するように、モータードライバ回路で使用できます。

例：モータードライブ用のシングルフルブリッジMOSFETドライバー対デュアルハーフブリッジ

安定した調整可能なDC電力でモーターを駆動する2つの一般的な実装方法は、フルブリッジとハーフブリッジドライバーを使用することです。以下の図に示すように、モーター用のハーフブリッジおよびフルブリッジ駆動の2つの例があります。

この例では、デュアルハーフブリッジドライバーを慎重に選択する必要があり、駆動信号がセカンダリドライバICに伝わるようにする必要があります。Maxim IntegratedのMAX14871など、デフォルトでこれを可能にするコンポーネントがあります。ドライバコンポーネントでこれが有効になっていない場合は、PWM信号をセカンダリICに並列に送出する必要があります。また、ハーフブリッジ構成のMOSFETの状態に注意してください。モーター内の必要な電流の流れを提供するために、各側の上部と下部のMOSFETの状態が逆転しています。

対照的に、右のパネルは同じ実装を示していますが、フルブリッジMOSFETドライバーを使用しています。この回路では、ドライバICからの出力がMCUからの単一のPWM信号を使用してMOSFETをペアで切り替えます。この高度に統合されたオプションは、必要なコンポーネント数を減らし、速度や電力制御のための正確なフィードバックとともに使用することができます。

フルブリッジドライバー対ゲートドライバー

ゲートドライバICは、フルブリッジドライバーと同じ機能を提供します。つまり、MOSFETをONとOFFの状態に切り替えます。これらのコンポーネントが設計でどのように実装されるかにはいくつかの違いがあります。フルブリッジドライバーは4つのMOSFETを使用した固定構成用に特別に設計されているのに対し、ゲートドライバーは他のゲートドライバーとの同期を必要とせずに個々のMOSFETを切り替えることができます。4つのMOSFETゲートドライバーを使用してフルブリッジMOSFETドライバー回路を作成することができます。どちらを選ぶべきかは、MOSFETを切り替えるために必要な供給電圧と、コンポーネントに必要な統合レベルによって異なります。

フルブリッジMOSFETドライバーコンポーネントの選択

出力電流は、おそらく見るべき最も重要な仕様であり、この仕様はトランジスタの仕様と比較する必要があります。ゲートドライバICを選択する際に調べるべき他の重要な仕様は次のとおりです：

統合。 フルブリッジMOSFETドライバの中には、MOSFETをダイ上に含むものがあります。これらのコンポーネントはチップ上で直接電力を消費し、ある程度の飽和電流定格を持ちます。
供給電圧。 供給電圧仕様は、MOSFETをON状態とOFF状態の間でどの程度切り替えることができるかを決定します。
デュアルハーフブリッジオプション。 一部のフルブリッジゲートドライバは、2つの独立したハーフブリッジドライバとして使用できます（上記のモータ制御アプリケーションを参照）。
PWM周波数範囲とデューティサイクル。 これらのパラメータは、任意のスイッチングコンバーターやドライバーにおいて重要です。特に、デューティサイクルは平均電力供給量を決定し、周波数は特にモータ制御や電力製品に見られる誘導負荷において、負荷コンポーネントのゲインとインピーダンスに影響を与える可能性があります。
温度定格。 これらのコンポーネントは高電力で動作するか、または高電力を消費する他のコンポーネントの近くで動作する可能性があります。温度定格と、システムに実装する必要があるかもしれない冷却戦略を考慮してください。ドライバに統合MOSFETが含まれている場合、コンポーネントが過熱して故障するのを防ぐために、設計にある程度の熱冷却が必要になるでしょう。

ドライバコンポーネント、外部MOSFET（ドライバダイ上に統合されていない場合）、PWMジェネレータ、およびフィードバックループで使用される任意のコンポーネントを慎重にマッチングしてください。

2つのフルブリッジMOSFETドライバの比較

STMicroelectronicsからのL6203フルブリッジMOSFETゲートドライバは、これらのコンポーネントに関わる統合の種類と、それらが高電力を提供する方法を示しています。このコンポーネントは小型モータの駆動用に設計されており、最大48Vの出力電圧で中程度の高電流（ピーク時5A、RMSで4A）を持つ統合HブリッジMOSFETアレンジメントを含んでいます。L6203には、正確な調整のための内部電圧基準、熱シャットダウン回路、外部コントローラからの有効ピンが含まれています。モータ制御のためのフィードバックを提供するために、センス抵抗を接続することができます。入力ピンと有効ピンも、外部モータのための1相または2相チョッピングを提供するために変調することができます。

比較可能なコンポーネントは、InfineonからのTLE7181EMXUMA1です。下のブロック図から、このコンポーネントが2つまたは4つのMOSFETをそれぞれ使用して、デュアルハーフブリッジまたはフルブリッジ駆動に設定できることがわかります。これらの外部MOSFETは、12V電源ネット（最大34V供給電圧）での高電流DCモータドライブに使用されます。下流コンポーネントへの損傷を防ぎ、信頼性を確保するために、過電圧/低電圧、過電流、過熱、および短絡保護を提供する包括的な保護回路があります。さらに、安定した出力を確保するための統合レギュレータがあります。

これら2つのコンポーネントは、統合レベルやチップ上の機能が異なりますが、典型的なフルブリッジMOSFETドライバーコンポーネントから期待できる良い例です。L6203はすべてをダイに統合し、小さなフットプリントソリューションを提供しますが、ダイ上のMOSFETによって出力電力が制限されます。熱はコンポーネント内で直接放散されるため、過熱を防ぐための冷却対策が必要になる場合があります。

対照的に、TLE7181EMXUMA1は、モーターからの引き出し、外部MOSFETの電流制限、および外部MOSFETに使用される電源によって制限される一連の電力で使用できます。全体として、ドライバーとその外部ブリッジ回路はより多くのスペースを取りますが、より多くの電力を得ることができます。

モータードライバーおよび電力システム用のその他のコンポーネント

上記で示したコンポーネントは、高度に統合されたモータードライバーコンポーネントですが、モーターや電力コンバーターに安定した電力供給を提供するために必要な他のコンポーネントが常にあります。ドライブ回路を制御/有効化するためのコンポーネント、PWM信号を提供するためのコンポーネント、電力出力を感知および調整するためのコンポーネント、およびシステムの負荷にクリーンでノイズのない電力を供給するためのフィルタリングを提供するためのコンポーネント。

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