ワイドバンドギャップゲートドライバの新たなトレンド

炭化ケイ素（SiC）と窒化ガリウム (GaN)のテクノロジーは、どちらも進歩を続けており、定格電圧が上昇し、スイッチング損失の低減しています。最大定格2200VのSiC MOSFETs が、個別のデバイスとして、または最大6個のデバイスを含むモジュールとしてパッケージ化されて提供されるようになりました。 GaNデバイスはまだほとんどが650Vですが、2024年半ばには1200V定格のモジュールが登場する予定です。

ゲートドライバICは、デジタルまたはアナログコントローラからの制御信号とパワースイッチ（IGBT、MOSFET、SiC MOSFET、またはGaN HEMT）間のインターフェイスとして機能します。 これらは、高速スイッチングのゲート容量を克服するために必要な高い駆動電流を提供し、ハイサイド電圧基準トランジスタ端子から低電圧駆動信号を分離します。誘導経路の不均衡の影響を排除するために、ローサイドトランジスタにも絶縁ゲートドライバが使用されることが増えています。このように、ゲートドライバはWBGトランジスタのパフォーマンスと信頼性を最適化する上で重要な役割を果たし、新たな課題に対応するために常に進化しています。

例えば、統合ゲートドライバソリューションでは、多くの場合、複数のドライバを保護機能や障害検出機能と組み合わせます。これらの製品は、個別に設計された場合と比べて、設計の複雑さ、開発時間、部品表（BOM）コストを削減し、信頼性を向上させます。

例えば、独立したTTL互換の上下ドライバステージ、ロジック制御、および短絡、低電圧、および過電圧状態に対する保護機能を備えたハーフブリッジGaNドライバ が利用可能です。 これらのデバイスは、同期ハーフブリッジ、フルブリッジ、バック、ブースト、バックブースト構成など、さまざまなトポロジに構成できます。

超高速ゲートドライバも最近の開発の1つです。最近導入されたデバイスは、200 pFの負荷に対して、それぞれ0.65 nsと0.70 nsの立ち上がり時間と立ち下がり時間で最大7 Aの出力電流を供給できます。ゲートドライバの電圧範囲は4.5 V～5.5 Vで、これらのドライバはGaNデバイス向けにカスタマイズされています。

これらのすべての絶縁ゲートドライバに共通するのは、絶縁出力段に絶縁電源が必要であることです。ピーク電流が高いにもかかわらず、平均消費電力はわずか数ワットなので、DC/DC電源は非常に小さくすることができます。さらなる要件として、非対称電圧を生成する必要があります。たとえば、多くのSiCトランジスタは、+18V～-4Vのゲート駆動電圧で駆動すると最高のパフォーマンスを発揮します。他のデバイスでは、+20V/-5V、+15V/-3V、+6V/-1V、+15V/-9Vなど、異なる最適なゲート駆動電圧が必要になる場合があります。

WBGトランジスタの駆動には固有の困難が伴うため、一部のメーカーがSiCまたはGaNパワーデバイスとゲートドライバを1つのパッケージに統合することで問題を完全に回避しようとしているのも不思議ではありません。このアプローチには利点と欠点があります。利点は以下の通りです：

• スペース効率。 ゲートドライバとパワートランジスタを1つのパッケージに統合することで、プリント回路基板（PCB）のフットプリントが削減され、レイアウトが簡素化され、コストが削減されます。
• 寄生素子の減少。 ゲートドライバとパワートランジスタを統合することで、それらの間の相互接続長が最小限に抑えられます。寄生インダクタンスと寄生容量が減少することで、スイッチング性能が向上し、電磁干渉(EMI)が低減します。
• パフォーマンスの向上。 共同パッケージングにより、ゲート駆動回路を最適化できます。ゲートドライバは、パワートランジスタの特性に合わせてカスタマイズできるため、効率的なスイッチングとスイッチング損失の削減が保証されます。
• 熱性能の向上。 ゲートドライバとパワートランジスタが同じ熱経路を共有すると、放熱がより効率的になり、熱管理が改善され、信頼性が向上します。

もちろん、潜在的な欠点もあります。

• 柔軟性の制限。 統合パッケージでは、異なるゲートドライバやパワートランジスタを個別に選択する柔軟性が提供されない場合があります。
• 絶縁要件。 ゲートドライバとパワートランジスタは、クロストークを防止し、安全性を確保するために電気的に絶縁する必要があります。共同パッケージ化されたソリューションは、絶縁要件に効果的に対応する必要があります。
• テストとデバッグの複雑さ。 ゲートドライバとパワートランジスタを組み合わせると、トラブルシューティングがより困難になります。障害や故障を特定するには、特殊なツールと専門知識が必要です。

同時パッケージの利点は、急峻なターンオンおよびターンオフ勾配を伴う高速スイッチングの欠点を克服できるかもしれないということですが、外部の絶縁電源は依然として必要です。これらのDC/DCコンバータは、高いdv/dtスイッチング遷移に対応できる必要があるため、絶縁容量が低く、CMTI耐性が高くなければなりません。

RECOMには、SiCおよびGaNゲートドライバへの供給に適した絶縁型DC/DCコンバータのファミリーがいくつかあります。

SiC MOSFET. RxxP22005DおよびRKZ-xx2005Dシリーズは、SiC MOSFETを効率的かつ効果的に切り替えるために、+20Vと-5Vの非対称出力を備えています。RxxP21503Dシリーズは、第2世代SiC MOSFETを効率的にスイッチングするために必要な+15 Vと-3 Vの非対称出力電圧を提供します。

GaN HEMT. 高スルーレートGaNトランジスタドライバ は、高絶縁電圧と低絶縁容量を特徴とするRECOMのDC/DCコンバータRP-xx06SおよびRxxP06Sシリーズにより、+6Vで最適なスイッチング性能を実現します。より高いノイズと干渉を考慮する必要があるGaNアプリケーションでは、RECOMは、ツェナーダイオードを介して+6Vと-3Vに分割し、ターンオフ時に負のゲート電圧を提供し、ゲート電圧がターンオンしきい値を下回ることを保証する+9V出力のコンバータも提供しています。

以下の表は、 WBGデバイスおよびIGBTに推奨されるDC/DCコンバータをまとめたものです。

IGBT RxxP2xx、RxxPxx、RP、RH、RKZ シリーズ　小型SIP7ケース RV、RGZ シリーズ　低背DIP14、小型DIP24ケース 出力：+15V/-9V 絶縁：最大6.4kVDC 入力：5V、12V、24V 合計出力：1Wまたは2W 電力は対称 最大効率：86% 動作温度：最大+90℃ EN認証取得 3年保証

SiC RxxP21503D、 RxxP22005D、RKZ-xx2005D シリーズ　小型SIP7ケース 出力：+15/-3V, +20/-5V +15/-5、+15/-3、+20/-5Vの出力を備えたSMD RA3シリーズ 絶縁：最大6.4kVDC 入力：5V、12V、15V、24V 合計出力：2W (RA3では3W) 対称な電力と出力電流 最大効率：87% 動作温度：最大+90℃ EN/IEC/IL認証取得 3年保証

GaN RJZ, RK, RP, RV, RxxPxx, RxxP2xx シリーズ　小型DIP14、DIP24およびSIP7ケース 出力：+6V, +9V +7/-1、+8V、+9Vの出力を備えたSMD RA3シリーズ 絶縁：最大6.4kVDC 入力：5V、12V、15V、24V 合計出力：1W, 2W (RA3では3W) 最大効率：83% 動作温度：最大+90℃ EN/IEC/UL認証取得 3年保証

R-REF-HBハーフブリッジゲート駆動電源リファレンスデザイン（RD）は、最大1kVDCの電圧に適したハーフブリッジと、ローサイドおよびハイサイドスイッチングトランジスタの両方に絶縁電源を備えた完全に絶縁されたドライバステージで構成されています。

R-REF01-HBには2つの R12P22005D、R12P21503D、R12P21509D、 そしてR12P06SDC/DCコンバータが含まれており、SiCおよびGaNデバイスに適したゲート駆動電圧を生成できます。これらのコンバータを使用すると、次のゲート駆動電圧を生成できます。

• +20V/-5V
• +15V/-3Vまたは+18V*
• +15V/-9V
• +6V

RECOMのエンジニアはこの分野の開発を注視し、新しいデバイスが市場に登場するたびに適切なゲートドライバ電源を推奨しています。

たとえば、第4世代35mΩ 650V GaN FETは、最適なスイッチング制御のためにケルビンソースピンを追加したTO-247パッケージで提供されます。RECOMは、この新しいテクノロジーから最大限のパフォーマンスを引き出すために、+15/-3Vデータドライバ電圧でR-REF01-HBを使用することを推奨します。

WBGパワー デバイステクノロジーは急速に進歩している分野であり、新しいデバイス やトポロジに対応するために、新しいゲートドライバが常に市場に投入されています。 RECOMはこの市場を注視しており、当社のエンジニアはお客様のWBGアプリケーションに適した電源ソリューションを推奨することができます。