シリコンカーバイド (SiC) や窒化ガリウム (GaN) などの材料をベースにした新しい電力スイッチング技術の登場により、パフォーマンスはかつてないほど向上し、電力も増大しており、それに合わせたゲート ドライバーも同様に向上しています。この記事では、GaNおよびSiCスイッチとIGBT/MOSFETの主な違い、ゲート ドライバがそれらをサポートする方法、およびADIが導入したゲート ドライバ ソリューションを紹介します。
新しい電力スイッチング技術は、高電力アプリケーションに適合します。
長年にわたり、電力出力システム用の電力スイッチング技術の選択は非常に簡単でした。低電圧レベル（通常600 V未満）では、通常MOSFETが選択され、高電圧レベルでは、通常IGBTが選択されます。SiCやGaNといった新しい電力スイッチング技術の登場により、この状況は変化しつつあります。
これらの新しいスイッチング テクノロジには、パフォーマンスの面で多くの明らかな利点があります。スイッチング周波数を高くすると、システムのサイズと重量を削減できます。これは、太陽光パネルなどのエネルギー用途や自動車などのターゲット市場で使用される太陽光発電インバータにとって非常に重要です。スイッチング速度を20 kHzから100 kHzに上げると、変圧器の重量が大幅に軽減され、電気自動車のモーターが軽量化されて走行距離が長くなります。また、太陽エネルギー用途で使用されるインバーターのサイズが縮小されるため、産業用途により適したものになります。さらに、動作温度の上昇（特にGaNデバイス）と電源オン時の駆動要件の低減により、システム設計者の設計作業も簡素化されます。
MOSFET/IGBTと同様に、これらの新しいテクノロジーはまだ初期段階にあり、さまざまなアプリケーション要件を満たすことができるようです。最近まで、GaN製品は通常200 Vの範囲でした。これらの製品は近年急速に発展し、600 V台の製品も多くありますが、これはまだSiCの主要範囲 (1000 V近く) からは程遠く、GaNが自然にMOSFETデバイスに取って代わり、SiCがIGBTデバイスに取って代わったことを示しています。スーパージャンクションMOSFETはこのギャップを埋め、最大900 Vの高電圧アプリケーションを実現できるため、特定のGaN研究開発では、600 Vを超える電圧のアプリケーションを処理できるデバイスが利用可能になりました。
新しい電力スイッチング技術には長所と短所がある
新しいGaNおよびSiC電力スイッチング技術によってもたらされる利点は設計者にとって非常に魅力的ですが、コストがかからないわけではありません。まず第一にコストの増加です。このデバイスの価格は、同等のMOSFET/IGBT製品の値段より数倍高くなります。IGBTとMOSFETの生産は十分に開発され、高度に理解されたプロセスであるため、新しい競合製品と比較してコストが低く、価格競争力が高くなります。現在、SiCおよびGaNデバイスの価格は従来の競合製品と比較してまだ数倍高いものの、価格競争力は継続的に向上しています。
スイッチング周波数が高くなると、コモンモード過渡耐性も生じ、これはシステム設計者にとって非常に深刻な問題となります。絶縁ゲート ドライバ内の絶縁バリアと結合した高スルー レート信号により、データ伝送が破損し、出力に不要な信号が発生する可能性があります。従来のIGBTベースのシステムでは、20 kV/s ～ 30 kV/sの耐性を持つゲート ドライバがあれば、コモン モード干渉に耐えるのに十分です。ただし、GaNデバイスのスルーレートはこの制限を超えることがよくあります。安定したシステム用のゲート ドライバを選択する場合、そのコモンモード過渡耐性は少なくとも100 kV/sである必要があります。
国際規制により絶縁ゲートドライバの需要が増加
モーターのエネルギー効率に関する新しい国際規制により、固定速度の直接オンライン誘導モーターからインバーター制御の機械への移行が加速しています。一般的な要件としては、単純なオープンループ インバータの保護から、ドライブやサーボの高精度電流制御まで、最低限IGBTゲート ドライブと何らかの形式の電流測定が挙げられます。
さらに効率の高いモーターを求めるこの傾向により、整流された主電源入力をモーターを駆動する可変周波数電圧に変換するIGBTベースの周波数インバータの需要が高まっています。インバータ制御モーターは、出力トルクまたは速度がシャフト負荷に最適に調整されるため、エネルギー消費が最小限に抑えられ、モーターの動作温度が低下し、モーターの信頼性が向上します。絶縁技術は、インバータに接続された危険な高電圧からコントローラのユーザー インターフェイスを安全に絶縁するため、ドライブ システムの重要な要素です。
インバータIGBTの誘導ターンオンに対処するには、一般に、バイポーラ電源の使用とミラー クランプの追加という2つの方法があります。ゲート ドライバの絶縁側でバイポーラ電源を受け入れる機能により、誘導電圧過渡に対する余裕がさらに広がります。
ADIゲートドライバが新しい電力スイッチング技術の難題を解決
新しい電力スイッチング技術の急速な発展を考慮して、ADIはそれに対応するゲート ドライバーも導入しました。たとえば、ADuM4135はADIのiCoupler® テクノロジーを使用して最大100 kV/sのコモンモード過渡耐性を実現し、このようなアプリケーションに対応できます。ただし、CMTIパフォーマンスを向上させると、追加の遅延が発生することがよくあります。遅延が増加すると、ハイサイド スイッチとローサイド スイッチ間のデッド タイムが増加し、パフォーマンスが低下します。これは、信号が絶縁バリアを介して伝送され、一般的に遅延が長くなる絶縁ゲート ドライバーの分野では特に当てはまります。ただし、ADuM4135は100 kV/sのCMTIを提供するだけでなく、伝播遅延もわずか50 nsです。
ADuM4135は、IGBTの駆動に特化して最適化されたシングル チャネル ゲート ドライバです。ADIのiCoupler® テクノロジーは、入力信号と出力ゲート ドライバ間の絶縁をサポートします。ADuM4135は、2 V未満のゲート電圧で堅牢なIGBTシングルレール電源シャットダウンを実現するミラー クランプを提供します。ミラー クランプの有無にかかわらず、ユニポーラまたはバイポーラの二次電源で動作できます。ADIのチップスケール トランスフォーマーは、チップの高電圧ドメインと低電圧ドメイン間の制御情報の分離された通信も提供します。デバイスのプライマリ側でセカンダリ電源障害が発生した場合、専用出力からチップのステータス情報を読み取ってデバイスのリセットを制御できます。
さらに、ADuM4135には非飽和検出回路が統合されており、高電圧短絡IGBT動作に対する保護を提供します。非飽和保護には、初期起動スイッチング イベントによる電圧スパイクをマスクした後の300 nsのマスク時間などのノイズ低減機能が含まれます。内部の500 µA電流源により、デバイスの数が少なくなります。ただし、ノイズ耐性レベルを向上させるために、内部ブランキング スイッチは、二次低電圧ロックアウト (UVLO) を11.67 Vに設定し、一般的なIGBTしきい値レベルを記録した外部電流源の追加もサポートします。ADuM4135は、MOSFET/IGBTゲート ドライバ、太陽光発電インバータ、モーター ドライブ、電源などの分野で使用できます。
ADuM4135は、出力電力デバイスの抵抗が1 Ω 未満で4Aのピーク駆動出力機能をサポートし、非飽和保護をサポートし、分離された非飽和障害レポートを提供し、障害時のソフト シャットダウン機能とゲート センス入力によるミラー クランプ出力を備え、分離された障害および準備機能をサポートし、伝播遅延がわずか55 ns (標準) と低く、最小パルス幅が50 nsで、動作温度範囲が - 40 ℃ ～ + 125 ℃ です。
ADI_EVAL-ADuM4135EBZ
ADuM4135は、出力電圧範囲が30V、入力電圧範囲が2.3 V ～ 6 Vで、出力および入力低電圧ロックアウト (UVLO) をサポートし、沿面距離が7.8 mm (最小)、コモンモード過渡耐性 (CMTI) が100 kV/µ s、動作電圧600 Vrmsまたは1092 V DCで寿命が20年で、安全性および規制認証に準拠し、UL 1577準拠の5 kV AC/分で、CSAコンポーネント受け入れ通知5A、DIN V VDE V 0884-10 (VDE V 0884-10): 2006-12、およびV IORM = 849 Vpeak (強化/基本) をサポートします。ADIは、顧客の製品開発を迅速化するだけでなく、顧客向けのオプションとして、対応する評価キットEVAL-ADuM4135EBZも導入しました。
結論
GaNおよびSiCデバイスの電力変換への応用は長い間検討されてきましたが、ついに実現しました。このテクノロジーは魅力的な利点をもたらしますが、それにはコストがかかります。優れたパフォーマンスを提供するために、新しいスイッチング テクノロジでは、使用される絶縁ゲート ドライバの要件を変更する必要があり、システム設計者に新たな問題をもたらします。ADIのADuM4135は、この問題を解決し、関連製品の開発を容易にするのに役立ちます。これは、GaNとSiCにとって最適な既成かつ実現可能なソリューションとなります。
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