2024/10/11
目次
1. ゲートドライバーの概要
1) なぜゲートドライバーが必要なのか?
2) パワーデバイスのスイッチングプロセス
3)一般的なドライバーチップ3種類を紹介
2. 絶縁ソリューションの概要
1) なせドライバーを絶縁する必要があるのか?
2) 主流の絶縁ソリューション
3) NOVOSENSEの絶縁ソリューション
1. ゲートドライバーの概要
1) なぜゲートドライバーが必要なのか?
ゲートドライバーは、低電圧コントローラと高電圧回路の間のバッファ回路であり、コントローラの制御信号を増幅して、パワーデバイスのより効果的なターンオン＆ターンオフを実現するために使用されています。
1. ゲートドライバーの役割：
1. コントローラの低電圧信号を高電圧の駆動信号に変換し、パワーデバイスの安定したオン、オフを実現します。
2. ゲートドライバーは、過渡的なソース電流とシンク電流を提供し、パワー デバイスのスイッチング速度を向上させ、スイッチング損失を低減します。
3. ドライバーは高電力回路のノイズを効果的に分離し、敏感な回路が干渉されるのを防ぎます。
4. 通常、ドライバーには保護機能が組み込まれており、パワーデバイスへの損傷を効果的に防止します。
ゲートドライバーは、パワーデバイスがシステム内でよりよく機能するために使用されていることが役にたちます。
2. 一般的なパワーデバイスには次の4つのタイプがあります。
- 耐圧20V～650VのSi-MOSFETは、低電力システムに適している。
- 耐圧650V以上のSi-IGBTは、強い電流耐性を備えているため、高電圧および大電力システムに適しています。
---Si-MOSFETとSi-IGBTはどちらも成熟し安定した製造プロセスを備えたSiベースのパワーデバイスであり、幅広く使用されています。
- SiC-MOSFETはIGBTと同等の耐圧を持ちながら、スイッチング速度が速く、スイッチング損失が小さいため、高電圧、大電力システムにより適しています。
- 現在、GaNデバイスの耐電圧はプロセスの制限により650V未満ですが、そのスイッチング性能には明らかな利点があり、高周波および高出力システムに適しています。
---SiC-MOSFETおよびGaNデバイスは第3世代のワイドバンドギャップ半導体に属し、Siベースのデバイスに比べて性能面で明らかに優れており、将来的には幅広く応用されると考えられます。
3. NOVOSENSEドライバー製品のカテゴリー
パワーデバイスによってゲート駆動要件が異なるため、NOVOSENSEは4種類のパワーデバイスそれぞれに対応するドライバー製品を開発しました。
表1：4種類のパワーデバイスの特性
2) パワーデバイスのスイッチングプロセス
ゲートドライブはパワーデバイスのオン/オフをどのように制御されますか?パワーデバイスのスイッチングプロセスについては、以下で詳しく紹介します。パワーデバイスには同等の寄生容量、CGS、CGD、CDS があります。パワーデバイスのスイッチングプロセスは、その寄生容量の充放電プロセスに等しいです。
1. 導通プロセス
導通プロセスでは、ドライバーチップ内部の電流引き込みMOSを介して出力をドライバー電源に接続し、ゲート抵抗を介してCGSを充電し、CGDを放電します。
図 1: パワーデバイスのスイッチングプロセス
✓ (t0-t1) 段階: ゲート電流がCGSを充電し、VGS電圧が徐々に上昇します。この時点では、電源装置はまだ完全にオフになっています。
✓ (t1-t2) 段階: VGS電圧がゲートしきい値電圧Vthを超えて上昇する場合、パワーデバイスが導通を開始し、IDS電流が最大値に達するまでVGSの上昇とともに増加します。
✓ (t2-t3) 段階: ミラープラトー期間中、ゲート電流は主にCGDを放電し、VDS電圧は低下し始めます。デバイスは完全な導電状態になります。
✓ (t3-t4) 段階: ゲート電流がCGSを充電し続け、VGSが電源電圧まで徐々に上昇し、ゲート電流がゼロに減少し、導通プロセスが終了します。このうち、パワーデバイスの導通損失が主にt1〜t3段階で発生します。
2. シャットダウンプロセス
シャットダウンプロセスでは、ドライバーチップが内部電流シンクMOSを介して出力をGNDに接続し、ゲート抵抗を介してCGSを放電し、CGDを充電します。
✓ (t0-t1) 段階: ゲート電流は主にCGSを放電し、VGS電圧は徐々に低下します。
✓ (t1-t2) 段階: ミラープラトー期間であり、ゲート電流が主にCGDを充電します。同時にVDS電圧が上昇し始めます。電圧がVDCに達するとミラープラトーが終了します。
✓ (t2-t3) 段階: IDS電流が減少し始め、VGSが Vthまで減少すると、IDSはゼロに減少し、パワーデバイスは完全にオフになります。
✓ (t3-t4) ステージ: ゲート電流は CGSを放電し続け、VGS電圧は最終的にゼロまで低下します。シャットダウンプロセスが完了します。
✓パワーデバイスのターンオフ損失は主にt1～t3の間に発生します。
以上から、t1～t3時間を短縮すると、パワーデバイスのスイッチング損失を効果的に削減できることがわかります。
3)一般的なドライバーチップ3種類を紹介
現在、一般的に使用されているドライバーチップは、非絶縁ローサイドドライバー、非絶縁ハーフブリッジドライバー、絶縁ドライバーこの 3 つです。
1. 非絶縁ローサイドドライブの場合、基準がGNDのパワーデバイスのみに使用でき、デュアルチャネルまたはシングルチャネル駆動を実現できます。非絶縁ドライブのアプリケーションは比較的シンプルで、単一の電源のみが必要です。主にAC/DC、電動工具、低電圧DC/DCなどの低電圧システムで使用されます。現在、NOVOSENSEは非絶縁ローサイドドライバーチップNSD1026VおよびNSD1015などがご提供できます。
図 2: 非絶縁ローサイドドライバーの機能ダイヤグラム
2. 非絶縁ハーフブリッジドライバーは、ハーフブリッジを備えた電源システムで使用されます。ハイサイドとローサイドの耐圧は通常レベル変換や絶縁が用いられ、耐圧は200 V～600 Vの範囲となります。ブリッジアームの貫通を防止するため、ハーフブリッジドライバーにはインターロック機能が付いています。システムアプリケーションでは通常、単一電源とブートストラップ電源が使用され、主にAC/DC、モータードライブ、車載DC/DCなどの低電圧または高電圧システムで使用されます。現在、NOVOSENSEにはハーフブリッジドライバーチップNSD1624、NSD1224などがご提供できます。
図 3: 非絶縁ハーフブリッジドライバーの機能ダイヤグラム
3. 絶縁ドライブは、内部絶縁ベルトを通じて高電圧と低電圧を物理的に絶縁します。絶縁ドライバーはアプリケーションに柔軟性があります。シングルチャネル絶縁ドライバーとデュアルチャネル絶縁ドライバがあり、ローサイド、ハイサイド、またはハーフブリッジのアプリケーションで使用できます。システムのプライマリとセカンダリの絶縁を実現するには、高電圧側に絶縁された電源を供給する必要があり、電源システムは比較的複雑です。絶縁ドライブは主に、電気ドライブ、太陽光発電インバータ、OBCなどの高電圧システムで使用されます。現在、NOVOSENSEはデュアルチャネル絶縁ドライバ NSI6602、シングルチャネル絶縁ドライバ NSI6601/NSI6601M、フォトカプラ互換絶縁単管ドライバ NSI6801、インテリジェント絶縁ドライバ NSI6611/NSI68515 などがご提供しています。
図 4: 絶縁ドライバーの機能ダイヤグラム
2. 絶縁ソリューション
1) なぜ絶縁が必要なのでしょうか?
高電圧電力システムでは、通常、高電圧と高電圧の間、および高電圧と低電圧の間が絶縁されます。では、なぜドライバーを絶縁するには必要なんですか?まず、高圧電気による人体への危害を防ぐために、安全基準を満たす絶縁が必要です。第二に、落雷や高電圧過渡現象などによる損傷から制御システムを保護します。第三に、グランドループを排除し、高電圧側から低電圧側への干渉を軽減します。第四に、電圧または電流の変化とエネルギーの伝達を実現します。
2) 一般的な絶縁ソリューション
現在、一般的に使用されている絶縁ソリューションは3つがあり、1つ目はフォトカプラ絶縁です。信号の送信は発光ダイオードとフォトトランジスタを介して行われます。利点は低コストです。欠点は、コモンモード干渉に対する耐性が弱いこと、温度範囲が限られていること、耐用年数が短いことです。2つ目は磁気絶縁ソリューションです。これは、マイクロトランスと電子回路をチップ内に統合して信号伝送を実現します。磁気絶縁チップの利点は、長寿命、広い動作温度範囲、および強力なCMTI機能です。欠点は、複雑なプロセス、高コスト、および顕著な EMI問題です。3つ目は容量性絶縁です。コンデンサと電子回路を絶縁することで信号伝送を実現します。通常、絶縁材料として二酸化ケイ素が使用されます。絶縁の利点は、低コスト、長い絶縁寿命、広い適用温度範囲、および強力な CMTI機能です。NOVOSENSEはコンデンサ絶縁ソリューションを使用します。
3) NOVOSENSEの絶縁ソリューションを紹介
NOVOSENSEの絶縁ドライバーには通常2つのDie、つまり入力側のプライマリDieと出力側のセカンダリDieがあります。DieとDieの間には物理的な絶縁があります。二重絶縁機能を実現するために、2つの絶縁コンデンサがDieの上で直列に接続されています。1つのDieがEOS故障した場合でも、ドライバーチップは基本的な絶縁を維持できます。SiO2は、2つの絶縁コンデンサの上部基板と下部基板の間の絶縁材料として使用されており、安定した材料性能、良好なチップの一貫性、および長い絶縁寿命といった利点があります。2つの絶縁コンデンサの上部基板は、信号伝送のために金属ワイヤを介して接続されます。NOVOSENSEの絶縁ドライバーは、12kvサージ電圧と8 kv過渡絶縁電圧テストを実現でき、高電圧システムの絶縁要件をはるかに超えます。
図 5: NOVOSENSEのダブルコンデンサ絶縁ソリューション
DieとDie間の通信には差動OOK変調方式を採用しており、安定した信頼性の高い通信を実現します。入力信号は高周波で変調され、絶縁コンデンサを介してプライマリダイから高電圧側ダイに伝送されます。変調周波数は100MHzを超えます。独自のCMTIモジュール回路が差動信号の入力端に追加されているため、チップのCMTI機能が強化され、150v/nsに達することができます。高 dv/dt電源システムでも、異常な電波放射を起こすことなく安定して動作します。
図 6: 差動 OOK 信号変調
