SiCスイッチのデッドタイムを削減する高CMTIゲートドライバを選択

概要   GaNおよびSiC FETがパワースイッチングアプリケーションにおいてMOSFETおよびIGBT技術に取って代わり始める中、絶縁ゲートドライバを選択する際の重要な仕様について議論します。CMTIと伝搬遅延スキューの重要性を説明し、これらの新しいパワートランジスタでの使用に理想的な絶縁ゲートドライバICを紹介します。

はじめに   「よく言われるように、石器時代は石が尽きたから終わったのではなく、より良い解決策に移行したから終わったのです。同様の機会が、エネルギー効率とクリーンエネルギーにもあります。」ノーベル賞受賞者であるスティーブン・チューの言葉は、世界が化石燃料からの移行を加速させている今、かつてないほど重要です。炭化ケイ素（SiC）や窒化ガリウム（GaN）などの新しい半導体材料は、このエネルギー効率革命の最前線に立ちます。既存のMOSFETやIGBT技術と比較して、これらの新材料はより小型で軽量なコンポーネントを可能にし、自動車から太陽電池インバータに至るまでのアプリケーションでコストとエネルギー消費を削減します（図1）。

図1. 太陽光パネルに接続されたインバーターボックス。

これらの材料を使用する新しいパワースイッチは、それを制御するコンポーネント、特にゲートドライバに異なる要求をします。この設計ソリューションでは、GaNおよびSiCとMOSFETおよびIGBTスイッチの適用分野を見て、それらのゲートドライバに与える影響について説明します。隔離されたゲートドライバを選択するための重要な仕様を説明し、代替製品よりもこれらの新技術に非常に適したパフォーマンスレベルを持つICファミリを紹介します。

現状に挑戦する   これまで、電力供給システム用のスイッチ技術を選択するのは比較的簡単でした。MOSFETは600Vまでの電圧で一般的に使用されており、IGBTはより高い電圧に対する選択技術でした。しかし、新しいパワースイッチ技術であるガリウムナイトライドやシリコンカーバイドの横結晶構造は、既存技術に対していくつかの重要なパフォーマンス上の利点を提供します。最初の利点は、それらが小型であるため、より高いスイッチング周波数を可能にすることです。スイッチング速度を数十キロヘルツから数百キロヘルツに高めることで、効率が向上します。第二に、これらはより高い電流と温度で安全に動作できる点です。これにより、小型のトランスやヒートシンクが必要になり、より軽いモーターが使用可能になります。電気自動車では、このサイズと重量の減少により航続距離が延びます。同様に、太陽光インバータのサイズを小さくすることで、家庭向けの用途により適するようになります。最近のGaNデバイスは600Vまで動作可能です。技術が安価になるにつれて、最終的にはMOSFET技術に取って代わる準備が整い、SiCが高電圧アプリケーションでIGBTに取って代わるポジションにあります。

無料の昼食はない   これらの利点は大きいものの、注意が必要です。図2は、安全上の理由から低電圧のマイクロコントローラーが出力スイッチとそのゲートドライバを含む高電圧領域からガルバニック絶縁されている回路を示しています。スイッチング速度が速くなると、より速いスイッチング過渡現象に対する感受性が増します。例えば、GaNパワーシステムは通常5nsでスイッチングします（従来のMOSFETシステムより1桁速い）。典型的な600Vの高電圧レールを仮定すると、これは(600V/5ns) = 120kV/µsのスイッチング過渡現象をもたらします。

図2: 典型的な絶縁型電力コンバーター回路。

高速ノイズ過渡現象は、アイソレーションバリアを越えたデータ伝送を破損させる可能性があるか、さらに悪い場合、電力FETが同時にオンになることで危険な電気的短絡を引き起こす可能性があります。この状況を防ぐためには、通常600Vの高電圧レールを使用する設計において、少なくとも120kV/µsのゲートドライバ共通モード過渡耐性（CMTI）が必要です。CMTIは、2つの絶縁回路間に適用される共通モード電圧の最大許容増加または減少率として定義されます。単位は通常kV/µsです。高いCMTIは、高電圧共通モード信号がアイソレーションバリアにかかったときに、データシートの制限内でアイソレーションバリアのいずれかの側の信号レベルが維持されることを意味します。図3に簡略化されたCMTIテストセットアップが示されています。

図3: CMTIの測定。

伝播遅延のマッチング   図4に示す回路では、決して両方のスイッチが同時に「オン」になることがあってはならず、これは潜在的に危険な短絡型（通常は「シュートスルー」と呼ばれる）状態を引き起こす可能性があります。これを防ぐためには、両方のスイッチが「オフ」になる少量の「デッドタイム」を設ける必要があります。しかし、GaNスイッチは逆バイアスされているときでも一部の電流を流し続けます。これは効率を低下させ、この時間中にすべての電力が負荷に転送されないためです。したがって、十分に安全な「デッドタイム」を残すことと、それによって引き起こされる効率の低下の間で妥協が必要です。最適な解決策を見出すためには、個々のゲートドライバ部品間の伝播遅延のばらつき、またはパート・ツー・パート（複数チャンネルを持つ部品の場合はチャンネル・ツー・チャンネル）の伝播遅延マッチング、またはスキューを理解する必要があります。この種類の回路を設計する場合、可能な限り伝播遅延スキューの小さいゲートドライバを選ぶことが最善で、これにより「シュートスルー」状態が起こらないようにしながら、デッドタイムを最小限に抑えることが可能になります。  

図4. プッシュプルハーフブリッジ回路。

2対1ソリューション   図5は、前述の両方の課題に対応するアイソレートゲートドライバーICのファミリーを示しています。

図 5. MAX22700D/MAX227002D 高CMTI絶縁ゲートドライバ。

図6に示すように、これらの部品は300kV/µs（typ）のCMTIを持ち、同様の部品が提供する保護レベルを超えているため、GaNおよびSiCスイッチを使用するアプリケーションに理想的です。

図 6. MAX22700 の CMTI 測定。

伝播遅延スキューは室温で最大2ns、-40°Cから+125°Cの動作温度範囲で最大5nsであり、デッドタイムを最小限に抑え、効率を向上させます。他の利点には、高精度のアンダーボルテージロックアウト (UVLO) が含まれており、並列にスイッチを駆動する複数の部品が同じ始動電圧で動作することを保証します。これは、SiCトランジスタのVGSを設定する際に重要です。ゲートドライバ共有ピン向けの出力オプションを持ついくつかのバリアントがあり、GNDB (MAX22700)、Millerクランプ (MAX22701)、調整可能なUVLO (MAX22702) があります。さらに、差動 (Dバージョン) またはシングルエンド (Eバージョン) の入力バージョンが利用可能です。絶縁バリアは、60秒間の3kVRMSの耐電圧定格を持ち、堅牢な性能を提供します。これらのICは、異なる出力ゲート駆動回路およびBサイド供給電圧を持つSiCまたはGaN FETを駆動することができます。

概要   私たちの日常生活での省エネへの関心が高まるにつれ、物事を機能させる新しい方法を見つける必要性が増しています。SiCとGaNは、より高い速度と温度で安全に動作できる半導体材料であり、さまざまなアプリケーションで軽量かつ効率的な設計を可能にします。しかし、これらの新しい材料は、それを駆動する回路に新たな要求を課します。これらのスイッチング技術を使用するアプリケーション向けの絶縁されたゲートドライバを選択する際に考慮すべき最も重要な仕様として、CMTIと伝搬遅延スキューがある理由を示しました。GaNおよびSiC FETをUPSや太陽光発電インバータ、およびモータードライブに使用するのに理想的な、最高のCMTIと最小の伝搬遅延スキューを兼ね備えた絶縁ゲートドライバICのファミリーを紹介しました。