GaN テクノロジー はパワーステージの真のイネーブラーであり、今日では過去901年間では考えられなかったパフォーマンスを提供します。 GaNの最大の性能と利点は、ゲートドライバがトランジスタと同程度の性能と革新性に匹敵する場合にのみ得られます。 長年の研究開発の後、MinDCetはMDCXNUMXゲートドライバを導入することにより、GaNゲート駆動の落とし穴を克服しました。
概要
XNUMX年以上前に最初の窒化ガリウム（GaN）トランジスタが発表されて以来、パワーエレクトロニクスにおけるそれらの利点はよく知られるようになりました。 実際、GaNの材料特性は、特定のオン抵抗、固有の高速スイッチングトランジェント、逆回復の欠如、および高温動作能力に対して、より低い寄生容量を提供します。 これらの優れた特性は、高性能の電力変換器に最適な組み合わせのようです。
ただし、GaNの潜在的な性能を実現するには、XNUMXつの重要な側面を考慮する必要があります。 第一に、GaNの高速過渡スイッチング機能は、スイッチング周波数を大幅に高くし、その結果、効率を高めるというのが一般的な概念です。 GaNが最適な速度でスイッチングされると、実際に比べてスイッチング損失が低くなります。 MOSFET テクノロジー、指定された周波数に対して。 GaN スイッチング損失が比較的低い主な理由は、スイッチング過渡現象の時間が短縮されることです。 電圧 と電流は、スイッチの上とスイッチを通して同時に存在します。 このスイッチング損失によって引き起こされるジュール損失は、周波数とともに直線的に増加します。 最終的に、ますます高いスイッチング周波数でGaNを動作させると、結果として得られるGaN効率は、 モスフェットベースのコンバーター。 より高いスイッチング周波数ではGaNの効率の利点は減少しますが、GaNベースのコンバータは、より小さなストレージパッシブの使用からさらに利点があり、より高い電力密度に相当します。
図1：さまざまなスイッチング周波数での48Vから3.3VのGaNベースの降圧コンバータの出力電流の関数として測定された効率。
この効果は、MinDCet MDC48ゲートドライバー、GaN Systems GS3.3Pハーフブリッジ、およびWE-HCF 901uH /61008A電源を中心に構築された1.4Vから31.5Vへの降圧型降圧コンバーターで実証されています。 誘導子図 5 に示すように、コンバータのデューティ サイクルが低いと、スイッチング過渡速度が高速になるため、同等のコンバータと比べて効率が 10 ～ 15% 向上します。 MOSFETベースのコンバータを同じスイッチング周波数で使用します。 図 1 の降圧コンバータの測定は、GaN の機能にもかかわらず、スイッチング周波数が増加するにつれて変換効率が低下することを示しています。 すでに中程度のスイッチング周波数 300 kHz では、スイッチング周波数が 1 kHz 増加するごとに効率が 100% 近く低下することが、300 ～ 700 kHz の測定周波数にわたって観察されます。
48Vから12Vの降圧コンバータの場合、このトレードオフは変わります。 図2を見ると、GaNコンバータの効率は、10〜300 kHzの範囲で低〜中程度の負荷（最大約700A）で高いスイッチング周波数の恩恵を受けています。 選択したインダクタがコンバータの効率に影響を与えることに注意してください。 GaNベースのコンバータ設計で適切なトレードオフを行う際には注意が必要です。
図2：さまざまなスイッチング周波数での48Vから12VのGaNベースの降圧コンバータの出力電流の関数として測定された効率。
第二に、GaNの真の本質的な利点を実現するには、高い過渡速度で切り替える必要があります。 10V / nsから100V / ns以上の値が可能です。 過渡速度の主な原因はゲートドライバです。 当然、ゲートドライバとGaNが最適に動作できるようにするには、適切な回路設計、特に電力ルーティング、ゲートループルーティング、およびデカップリングを実装する必要があります。 一般に、標準のMOSFETゲートドライバは、特殊なケースでGaNを駆動できる場合がありますが、最適なパフォーマンスには到達しません。 結果として、GaNを使用する利点は部分的に失われます。 高い過渡速度でGaNを切り替えるゲートドライバは、特定の要件を満たし、同時に大きなストレスにさらされる必要があります。 これらの厳しい要件は、GaNで動作するように注意深く開発されたゲートドライバによってのみ満たすことができます。
GaNゲート駆動の落とし穴
電力アプリケーションのGaNトランジスタには多くの可能性があります：より高い電力効率、より高い電力密度、潜在的なヒートシンク/ファンレス設計…しかし、GaNステージから最大の利益を得るには、道路に沿った落とし穴を避けて注意深く運転する必要があります。
高いスルーレート
GaNトランジスタの駆動は非常にあいまいです。 これらのデバイスは、本質的に大きな電圧スルーレート（100V / nsを超える）のために選択されており、スイッチング損失（VdsとIdがゼロでない場合に発生する損失）が非常に低くなります。 ローサイドトランジスタとハイサイドトランジスタをすばやく切り替えると、負荷電流が負荷電圧と入力電圧の間で非常にすばやく切り替わります（たとえば、降圧コンバータアプリケーション）。 これは、バス電圧のデカップリングに厳しい制約を課します。 PCB ハーフブリッジへのトラックは、バスループインダクタンスによって高度に定義されるオーバーシュートを引き起こします。 さらに、高スルーレートは、オフ状態トランジスタのドレインソース容量を介してゲート駆動経路に大きなピーク電流を注入します。
寄生ターンオン
ハーフブリッジ構成では、反対側のトランジスタによってアクティブに、または負荷電流によって誘導的に、ドレイン-ソース間電圧がバス電圧まで突然増加すると、オフになっているトランジスタに寄生ターンオンが発生する可能性があります。 この電流は、ゲートドライバのプルダウンインピーダンスとゲート-ソースループのインダクタンスの両方によって、ゼロ以外のゲート電圧に変換されます。 この電圧がスレッショルド電圧よりも高い場合、ハーフブリッジのハイサイドスイッチとローサイドスイッチの間に交差電流が発生します。 低いゲートループインダクタンスは、パワーステージとゲートドライバのモノリシック共和分でのみ可能であり、各GaNトランジスタの個別のプルダウンパスとプルアップパスが非常に望ましいです。 デッドタイムハーフブリッジのデッドタイムは、XNUMXつのトランジスタのターンオフイベントと相補型ブリッジトランジスタのターンオンイベントの間の時間です。 デッドタイムのきめ細かい制御が不可欠です。 デッドタイムが短すぎると、GaNのドレイン-ソース間容量が相補的なGaNによって放電されるため、過剰な損失が発生します。 ゼロ電圧スイッチングはより大きなデッドタイムで発生し、ドレイン-ソース間容量をインダクタ（バックコンバータ内）で放電できるようにします。 したがって、このエネルギーは消費されません。 デッドタイムが長すぎると、VgsがゼロのGaNの逆伝導は、ダイオードと比較して（数ボルトの）大きな電圧降下を受けるため、損失が大きくなります。 デッドタイムを固定すると効率が最適化されなくなり、損失を最小限に抑えるために適切なデッドタイムに調整する必要があります。これはアプリケーションに大きく依存します。
ゲート過充電
非絶縁ゲートドライブアプリケーションでは、ゲートドライバーは低電圧電源のブートストラップを通じて供給されることがよくあります。この手法は、ハイサイド ゲート ドライバの電源デカップリングを充電します。 コンデンサ 高速高電圧ダイオードを介して。これにより、ハイサイド プリドライバーの駆動に使用されるすべてのフローティング回路に電力を供給するために使用されるフローティング電圧が生成されます。前に説明したように、ゼロ以外のデッドタイムにより、負荷の電流の大きさの方向に応じて、ローサイド GaN トランジスタのドレイン-ソース電圧がゼロ未満になります。これにより、事実上、ブートストラップ コンデンサが入力電源を超えて充電されます。 GaN ゲートはゲート過電圧に敏感であることで知られているため、コンバータの信頼性を確保するにはゲートを過充電から保護する必要があります。実際には、これはクランプ構造を使用することで削減されますが、その代償として、ゲート ドライバの消費電力と PCB の面積が増加し、PCB の寄生要素によって有効性が制限されます。
負の出力電圧動作
出力ドライバ電圧の負の振幅は、寄生ソースインダクタンスと電力変換器の負荷条件に依存しますが、これは予測が不十分です。 予測可能な動作のためには、電源グランドと比較して電圧が負になった場合でも、コンバータブリッジを常に制御できるという保証が必要です。 DC結合レベルシフターでは、供給地の下での操作を可能にするために特別な予防措置を講じる必要があります。
ハイデューティサイクル動作
ゲートドライバのブートストラップ動作は、たとえばハーフブリッジのハイサイドトランジスタを制御するための電荷を提供するためのシンプルで効果的な手段です。 不可避的に、プリドライバーシステムに必要な回路をサポートするための温度依存のリークとバイアスがあります。これにより、ブートストラップ電圧がリークします。 ブートストラップ電圧が特定の最小電圧（多くの場合、オンボードの低電圧検出回路を介して監視される）を下回ると、プリドライバー回路が誤って動作し、最悪の場合、コンバーターに悪影響を与える可能性があります。 特定のブートストラップ容量および電力変換器アプリケーションの場合、これにより、維持できるデューティサイクルの最大値が設定されるか、使用できる変調深度が制限されます。
MinDCetの回答：MDC901ハイエンド、高電力密度、高速スイッチングのアプリケーションでは、GaNパワーステージが必要です。信頼性の高い駆動を保証し、貴重なGaNステージを保護するには、特定のドライバーが必要です。
前述の落とし穴に取り組み、GaNが要求する性能を提供するために、MinDCetはMDC901GaNゲートドライバを導入しました。 図4に示されているブロック図は、主要な機能の概要を示し、前のセクションで説明した主な落とし穴を解決します。
個別のプルダウンパスとプルダウンパスにより、GaNトランジスタの低インピーダンスプルダウンパスを維持しながら、ターンオン速度を調整し、その結果、出力段のスルーレートを調整できます。 これにより、高いドレインゲート容量性電流の下でも、寄生ターンオンを回避して、ゲート-ソース間電圧をオフ状態で制御できます。
ターンオンとターンオフのデッドタイムは、一連のデジタル入力を介して設定できます。 これにより、特定のアプリケーションのデッドタイムを静的に調整したり、コントローラーと組み合わせて調整したりできます。これは、最適な効率を得るために動的に実行できます。 さらに、デッドタイムは自動モードで設定できます。 閉ループはGaNゲート電圧を検出し、ゲートは相補型GaNゲートがオフの場合にのみオンになります。 これはフェイルセーフ操作モードです。
負電圧動作中のゲート過充電のリスクは、ブートストラップダイオードの後のハイサイドドメインとローサイドドメインの両方に完全にフローティングのレギュレータを配置することによって解決されます。 これにより、明確に定義され、堅牢に保護されたゲートドライバ電圧が得られます。
図4：MDC901GaNゲートドライバのブロック図。
図5：MDC901Vハーフブリッジ評価ボード。
負の出力電圧動作は-4Vまで保証されており、高い誘導電流の下でも正確なゲート制御が可能です。 これは、特別に設計されたレベルシフターとフローティング電源生成によって対応されています。
ハイデューティサイクルアプリケーション（モータードライバやクラスDアンプなど）の場合、ハイサイドのオン状態を長期間維持することが必須です。 この機能は、100％のデューティサイクル条件下でDCバイアスを補償する統合チャージポンプによって実装されました。
MDC901は、特定のアプリケーションでパフォーマンスを最大化するための信頼性の高い方法でGaNトランジスタを駆動するためのハイエンドで機能豊富なソリューションを提供します。 このドライバーはDC-DCソリューション用に開発されましたが、LIDAR、モータードライバー、 (エレクトロニック 真の200V機能を必要とするヒューズアプリケーション。 さまざまなアプリケーションでMDC901ゲートドライバの簡単かつ迅速な設計を可能にするために、図100に示すように、バックコンバータトポロジの5Vハーフブリッジ評価ボードがパワーエレクトロニクス設計者を支援するために開発されました。
結論
GaNパワーステージの真の利点を実現するには、GaNトランジスタで動作するように特別に設計された最適化されたゲートドライバを実装する必要があります。 その結果、GaNを限界まで押し上げることができ、可能な限り最高のパフォーマンスが得られ、技術的および金銭的投資から最大の利益を得ることができます。 MDC901などのディスクリートゲートドライバは、特定のアプリケーションに最適なGaNトランジスタを選択するための柔軟性、診断、および拡張機能セットをユーザーに提供します。