ゲートドライバICの選び方

現在、トランジスタはCPUに統合されているものから、個別のコンポーネントとして利用可能なものまで、あらゆる形状やサイズで提供されています。どのトランジスタも、ON状態とOFF状態の間を切り替えるためにはある程度の電流が必要であり、その結果デバイスを通じて電流が流れます。物理的に大きなトランジスタや電流出力が大きなトランジスタは、切り替えのためにより多くの電力を必要とします。この電力は、コントローラとパワートランジスタの間にバッファを提供するために特化されたゲートドライバICによって供給されることがあります。

すべてのアプリケーションがゲートドライバICを必要とするわけではありません。高周波アプリケーションでは、トランシーバーやその他のRFコンポーネント内に最適化されたゲートドライバ回路が含まれており、RFパワーアンプリファイアを含むトランジスタアンプリファイアの切り替えに必要な電力を提供します。これらのコンポーネントは、必要な切り替え電力を提供すると同時に、他の重要なコンポーネントを保護するため、電力システムの不可欠な部分です。ここでは、これらのコンポーネントの動作方法とゲートドライバICの選択方法について説明します。

なぜゲートドライバICを使用するのか？

上述のように、ゲートドライバICは、IGBTやMOSFETなどの高電力トランジスタに高電流を提供し、完全に導通状態に駆動するために使用されます。これらのコンポーネントは、MCUやその他のコントローラICなどの別のコンポーネントから低電力入力を受け取ります。このようにして、ゲートドライバICはMCUとトランジスタの間のバッファとして機能します。ゲートドライバICの典型的な配置は以下に示されています。

ゲートドライバICの信号チェーン

ゲートドライバの基本的な目的は、大型トランジスタを駆動するためのアンプとして機能することですが、切り替えに特化したゲートドライバICを使用する深い理由があります。特化したゲートドライバICを使用する主な目的は：

1. 負荷トランジスタの切り替え損失を減少させる

2. 負荷トランジスタの切り替え時間を短縮する

3. トランジスタを完全に導通/非導通状態に駆動する

第三の目標は、すべてのゲートドライバによって提供されるわけではありませんが、負荷とコントローラの間に絶縁を提供することです。これはゲートドライバ内の小さな内部トランスによって提供され、そのようなコンポーネントは絶縁型ゲートドライバと呼ばれます。

すべてのトランジスタにはある程度の非線形キャパシタンスがあり、つまり、バラクタのように振る舞います。負荷トランジスタが切り替えられると、ゲート領域にはいくらかの電荷が残り、チャネルを現在の非導通または導通状態に保持します。別の電流パルスが適用されると、切り替え信号が遅いか低電流で動作している場合、トランジスタ内で高熱が発生する可能性があります。切り替え信号を高電流で適用することで、状態間の切り替えがより速く、損失が少なくなります。

上記の配置と高出力トランジスタの完全かつ迅速な変調の必要性は、高出力負荷が完全なスイッチングと変調を必要とする任意のアプリケーションにおいて、ゲートドライバICを重要なものにします。もしMCUを使ってこれを行った場合、MCUからの大きな電流引きがMCUを過熱させ、故障の原因となる可能性があるため、ゲートドライバが必要です。典型的なアプリケーションには、スイッチングDC-DCコンバータ、パワーインバータ、モータードライバ回路があります。

DC-DC変換

ゲートドライバがコントローラからの入力を受け取ると、単一のトランジスタまたは並列に接続された複数のトランジスタに高電流を出力します。トランジスタを並列に配置することは、特にIGBTやMOSFETを使用した高電流出力のスイッチングDC-DCコンバータにおいて一般的です。このタイプのシステムは、大きなトランジスタの配列が導通状態に完全に切り替わるために数アンペアの電流を必要とする場合に必要であり、これは高出力コンバータに典型的です。

信号チェーン内の配置に関しては、ゲートドライバは下の画像に示されているようにフィードバックループ内に位置します。MCUは、安定した電圧出力を提供するためのシンプルな制御アルゴリズムを実装するために使用されるか、またはユーザー入力に応じて出力電圧を変更するために使用されます。コンバータから高電流の調整が望まれる場合、電流センスアンプがMCU/PWMドライバの前のフィードバックループに使用されるかもしれません。これは制御アルゴリズムで使用するための正確な電流測定を提供します。

DC-DC変換のためのフィードバックループ内のゲートドライバIC。

パワーインバータ

これはDC-DC変換に関連していますが、今度は振動波形を生成するために連続して切り替えています。このアプリケーションでは、DCソースとコントローラを出力側から隔離するために、絶縁ゲートドライバが必要です。負荷側では反転ロジックが使用され、ゲートドライバには低電流のオシレータ波形が供給されます。

モータードライバ回路

この主要なアプリケーションでは、PWM信号で駆動されるトランジスタが関与します。この場合、ゲートドライバはPWM信号を受け取り、その信号の増幅された高電流バージョンを出力します。これはその後、モータを駆動するためのトランジスタ配列に送られます。例には、ステッピングモータやブラシ付きモータの駆動が含まれます。このアプリケーションでは通常、MCU/コントローラと出力側のモータの間に絶縁ゲートドライバが使用されます。

重要なゲートドライバ仕様

出力電流は、見る必要がある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こちらです：

• ゲートドライバーの種類。 ゲートドライバーには4種類あります：

• • ハイサイド：これらは、グラウンド参照接続のない正の電源レールに接続されたパワートランジスタを駆動するために使用されます。

  • ローサイド：これらは、参照接続のない負の電源レールに接続されたトランジスタを駆動するために使用されます。

  • ハーフブリッジ：これらのコンポーネントには、ローサイドとハイサイドのドライバ回路が含まれており、より柔軟に使用できます。

  • 三相：これらのゲートドライバーは三相システムで使用されます。

• 立ち上がり時間と立ち下がり時間。 これはスイッチング損失を減らすために重要です。特に、立ち上がり/立ち下がり時間が速いスイッチングは、トランジスタのスイッチング損失を低減させることを保証します。

• 最大周波数。 これは上記の全てのアプリケーションで重要です。

• 温度定格。 これらのコンポーネントは高出力で動作するため、冷却のためにヒートシンクが必要になる場合があります。

ON SemiconductorのFAN73912MXゲートドライバICは、ハーフブリッジ構成で接続できる高出力コンポーネントの一例です。以下に示されたアプリケーション回路は、高出力ゲートドライバーが高電圧システムのコントローラーと統合される方法を示しています。

FAN73912MXゲートドライバICのアプリケーション回路。 FAN73912MXデータシートより。

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