ゲートドライバとは
ゲートドライバとは、電圧によって駆動するタイプのMOSFETやIGBTのゲート端子に電圧をかけて駆動制御するための回路です。
現在、最も汎用的なゲートドライバはMOSFETのゲートを駆動制御する回路ですが、抵抗やダイオード、バイポーラなどのトランジスタを使用したアナログ回路技術があります。最近ではゲートドライバ周辺回路部品自体も進化しています。
その種類や組み合わせは豊富にありますが、MOSFETを使ったゲート電圧駆動制御回路を習得することが最も実用的です。
ゲートドライバの使用用途
ゲートドライバは、MOSFETとゲート抵抗だけのシンプルな駆動回路でパワートランジスタを駆動する際に使用されます。
ゲートドライバのメリットは部品点数の少なさです。デメリットは抵抗値によってスイッチング速度や損失が大きく変わり、適度な抵抗値に設定するのが難しいことです。また、この抵抗値調整の課題を改善した回路としてMOSFETのゲートをON/OFFをダイオードで別々に駆動する回路にも使用されます。
ダイオード分の電圧が残ってしまうため完全にゼロにはなりませんが、この問題をクリアしたものがMOSFETのPchとNchを上下に接続したプッシュプルと呼ばれる回路です。ゲートドライバの使用用途として現在では最もよく使われています。
ゲートドライバの原理
ゲートドライバは、トランジスタのプッシュプル回路で構成されています。
プッシュプル回路とは2つのトランジスタを使って交互に動作させることで、スイッチングまたは増幅を行う回路のことを指します。プッシュプル回路には、「エミッタフォロワ型」と「エミッタ接地型」の2種類がありますが、基本的には後者である場合が多いです。
ゲートドライバはトランジスタの現場で大きな仕事をする力持ちのパワー素子と、制御方針を命令する頭脳で社長的な役割のマイコンとの間を取り持つ中間管理職のような役割を持つ回路から構成されています。
大電流を流すことができるパワー素子として、パワーMOSFETやIGBTが挙げられます。これらを直接駆動する電圧や電流は、通常のマイコンが出力できる電流や電圧では不十分である場合がほとんどです。
そのため、パワー素子とマイコンで駆動させるためにはその間ゲートドライバが必要です。
ゲートドライバのその他情報
1. 超高速ゲートドライバとは
超高速ゲートドライバとは、ゲートドライバの中でも特に高速スイッチングに特化したゲートドライバのことです。
その中でも超高速と呼ばれる部類は、概ね目安としてスイッチング速度が数十p (ピコ) 秒以下の素子になります。ピコは10のマイナス12乗になるので、1秒のマイナス12乗 (1兆) 分の1以下の速さでスイッチングします。
これは、昨今の半導体素子の技術革新によって起こった進化とも言えます。
2. 超高速ゲートドライバの実用化
実用化されている超高速素子ゲートドライバとしては、以下のものがあります。
1つ目は、半導体として最もよく利用されているシリコンを用いたトランジスタで、バイポーラ型とMOS型があります。バイポーラ型は高速で数十ピコ秒のスイッチングが可能です。MOS型は動作は遅延しますが、高密度な回路集積に適しています。
2つ目は化合物半導体タイプのトランジスタです。ショットキーゲートタイプの電界効果トランジスタのMESFET、ヘテロバイポーラトランジスタのHBT、高移動度電界効果トランジスタのHEMTがあります。使われる半導体はガリウムヒ素系化合物です。この素子は数ピコ秒のスイッチング動作が可能な現在の超高速に対応した素子で、最も高速な半導体になります。
3つ目は研究段階ではありますが、ジョセフソン素子と呼ばれる2種類の超伝導体間のトンネル効果を利用したものがあります。2つ目に紹介した素子の半分のスイッチングスピードで、ニオブなどの金属材料が使われます。しかし、動作には極低温を要する等の条件があり実用化にはまだまだ課題があるのが現状です。
3. SiCゲートドライバ
SiCゲートドライバは、耐圧性能とスイッチング速度改善において優れており、昨今のパワーエレクトロニクスの世界で注目されている半導体素子です。その活用が業界のトレンドにもなっているシリコンカーバイド (通称SiC) と呼ばれる半導体によって構成されたゲートドライバのことを指します。
特にSiCを使用したMOSFETは、高電力対応のインバータにおいて課題になっているそのスイッチング性能を大きく向上させることに寄与し、高いブレークダウン電界強度とキャリアドリフト速度を実現しつつ放熱性を改善させました。
しかし、SiCには様々なSiC組成構成における電圧の相違を解決しなければならないという課題があります。
4. ゲートドライバの現在の主力デバイス
現在ゲートドライバで動作させたい主力デバイスはMOSFETやIGBTという電圧駆動デバイスです。ゲートドライバは電流を常時流す必要はないですが、スイッチング動作時に短時間のパルス電流が流れるため、パワーデバイスとしての定格電流や電圧値などには十分注意が必要です。
特にIGBTの場合はMOSFETと比較して数10Vの高電圧時にその特性の良さが発揮されるため、ゲートドライバのバイアス特性もその電圧領域や用途に極力合わせたものを選定した方が無難です。
5. モジュール化と今後のトレンド
IGBTはその高電圧動作および最大定格を超えると瞬時に破壊しやすいという特徴があります。そのためIGBT単体 (ディスクリート) ではなく、ゲートドライバICと、保護回路などとIGBT単体を組み合わせたIGBTモジュールの方が使いやすく、現在多く市場に受け入れられています。
今後のゲートドライバの技術開発のトレンドとしては、より小型・高性能を目指した使いやすい製品だけでなく、D級アンプやモータ駆動用などの用途特化型のICが開発されていくと考えられます。これらのゲートドライバは先に述べたSiC半導体やGaNデバイス用のゲートドライバとの住みわけが図られていくでしょう。
参考文献
https://www.analog.com/jp/analog-dialogue/articles/isolated-gate-drivers-what-why-and-how.html
https://detail-infomation.com/gate-driver-type/
https://www.rohm.co.jp/power-device-support
https://kotobank.jp/word/%E8%B6%85%E9%AB%98%E9%80%9F%E7%B4%A0%E5%AD%90-161225