最近のワイドバンドギャップ(WBG)を使った半導体スイッチ、そしてMOSFETやIGBTは、非常に高速なスイッチング能力を持っています。これは損失を削減し、高効率で高電力密度、より小さな受動部品、低コストで高周波数動作を可能にします。しかしながら、高レベルのdV/dtとdi/dtによるゲートドライブ絶縁システムへのストレスや、EMIの増加といったマイナス面を持ちます。図1は、一般的なIGBT用のゲートドライブ回路で、デバイスをオンにするための5V~20Vの正電圧、オフにするための0Vが与えられます。静的にはこの回路は、エンハンスメントモードSi MOSFET、SiCやGaN技術のWBGデバイスに対しても完全にうまく動作し、どんな場合でも連続的にゲートに0Vが与えられていれば、デバイスのオフが確実です。
図1:単純化したゲートドライブ回路
しかしながら、図2に示すように、デバイスが高速にスイッチングする場合は、寄生の容量やインダクタンス成分が影響して問題が生じます。
図2:寄生成分をともなうゲートドライブ
例として、ドレイン-ソース電流のdi/dtを、最新鋭のGaNデバイスで実現可能な10A/nsとし、ソースインダクタンスが15nHであるとすると、V=-L di/dtからインダクタの両端に現れる電圧は150Vになります。スイッチがオフでは、その電圧がソースを負に引っ張り、これによってゲートドライブは逆になりスイッチがオンし、極性が正になり再びゲートドライブを逆にします。その結果、効率が下がり、シュートスルーの原因になる偽オンによってダメージが発生する可能性があります。15nHは大きいと思うかもしれませんが、約25mmのPCBラインに相当します。実際のところ、このような高レベルのdi/dtでは、ゲートとソースをケルビン接続したチップスケールパッケージが、ゲートドライブのために唯一実用的です。インダクタンスを回避できない場合は、オフ状態のために負電圧でゲートをドライブする方法が有効です。
実際のインバータやモータ制御のプッシュプルやフルブリッジのような回路では、図3に示すように、2つのローサイドデバイスは多くの場合、ソースとゲートドライブ電流に対して共通のリターンを共有します。
図3:共通グラウンドを共有するローサイドデバイス
この場合、デバイスが2つあるので、それぞれが固有のリターンを持つケルビン接続はできません。この2つのドライバのグラウンドと2つのエミッタ(ソース)は一緒に接続しなければならず、パワーグラウンド1は、左側スイッチが閉じた場合、右側スイッチから見たソース接続インダクタンスは左側より大きく、スイッチングは非対称になり、インダクタンス両端に発生する誘導電圧によるEMIや損傷の可能性が生じます。唯一の対称ポイントは、両方のソースが等しいので「パワーグラウンド2」になりますが、ゲートドライブループの大きな接続インダクタンスがあり、特にデバイスが物理的に閉じない高電力システムのデバイスでは、質の悪い妥協案となります。
解決策の1つとして、図4のように絶縁された信号と電源を2つのゲートドライバに提供する方法があります。ドライバ信号と電源のリターンは、デバイスそれぞれのエミッタ(ソース)に直接接続されており、ドライバループの外部インダクタンスのほとんどを排除しています。
図4:信号および電源の絶縁とケルビン接続を備えたゲートドライバ

図1:単純化したゲートドライブ回路
しかしながら、図2に示すように、デバイスが高速にスイッチングする場合は、寄生の容量やインダクタンス成分が影響して問題が生じます。

図2:寄生成分をともなうゲートドライブ
例として、ドレイン-ソース電流のdi/dtを、最新鋭のGaNデバイスで実現可能な10A/nsとし、ソースインダクタンスが15nHであるとすると、V=-L di/dtからインダクタの両端に現れる電圧は150Vになります。スイッチがオフでは、その電圧がソースを負に引っ張り、これによってゲートドライブは逆になりスイッチがオンし、極性が正になり再びゲートドライブを逆にします。その結果、効率が下がり、シュートスルーの原因になる偽オンによってダメージが発生する可能性があります。15nHは大きいと思うかもしれませんが、約25mmのPCBラインに相当します。実際のところ、このような高レベルのdi/dtでは、ゲートとソースをケルビン接続したチップスケールパッケージが、ゲートドライブのために唯一実用的です。インダクタンスを回避できない場合は、オフ状態のために負電圧でゲートをドライブする方法が有効です。
実際のインバータやモータ制御のプッシュプルやフルブリッジのような回路では、図3に示すように、2つのローサイドデバイスは多くの場合、ソースとゲートドライブ電流に対して共通のリターンを共有します。

図3:共通グラウンドを共有するローサイドデバイス
この場合、デバイスが2つあるので、それぞれが固有のリターンを持つケルビン接続はできません。この2つのドライバのグラウンドと2つのエミッタ(ソース)は一緒に接続しなければならず、パワーグラウンド1は、左側スイッチが閉じた場合、右側スイッチから見たソース接続インダクタンスは左側より大きく、スイッチングは非対称になり、インダクタンス両端に発生する誘導電圧によるEMIや損傷の可能性が生じます。唯一の対称ポイントは、両方のソースが等しいので「パワーグラウンド2」になりますが、ゲートドライブループの大きな接続インダクタンスがあり、特にデバイスが物理的に閉じない高電力システムのデバイスでは、質の悪い妥協案となります。
解決策の1つとして、図4のように絶縁された信号と電源を2つのゲートドライバに提供する方法があります。ドライバ信号と電源のリターンは、デバイスそれぞれのエミッタ(ソース)に直接接続されており、ドライバループの外部インダクタンスのほとんどを排除しています。

図4:信号および電源の絶縁とケルビン接続を備えたゲートドライバ