適切なシリコンカーバイドゲートドライバの選択

5月 09, 2024

電気自動車、産業用ドライブおよびポンプ、無停電電源装置などの大電力アプリケーションを設計するシステムエンジニアは、SiC技術がIGBTよりも優れた効率と電力密度の増加を実現できるため、シリコンカーバイド（SiC）MOSFETを選択しています。システム全体の効率を維持し、電力損失を低減するには、これらのMOSFETを適切なSiCゲートドライバと組み合わせることが不可欠です。

このブログでは、システムの電力効率の重要性を説明し、SiCの電力損失、SiCのターンオン/オフの基礎、スイッチング損失の低減方法など、SiCゲートドライバを選択する際に考慮しなければならない基準について簡単なチュートリアルを提供します。また、業界初の負バイアス内蔵3.75 kVゲートドライバNCP(V)51752も紹介します。

ミリパーセントが重要

数十kWからメガワットまでの大電力アプリケーションの電力損失を管理する場合、0.1パーセント単位の効率が重要です。例えば、100Wアプリケーションを95%の効率で実行すると、冷却戦略で管理される消費電力はわずか5Wです。つまり、ヒートシンクと、場合によってはファンを追加すれば十分です。しかし、同じ効率で動作する350kWアプリケーションでは、17.5kWの消費電力が発生し、二酸化炭素排出量はもちろんのこと、冷却戦略の管理に多大な作業と費用が必要になります。

消費電力の削減

SiCが示す総電力損失は、基本的に導通損失とスイッチング損失の合計です。SiCの導通損失は I²Rによって支配されます。ここで、Iはドレイン電流(I_D)、RはR_SDON、つまりSiC MOSFETが完全にターンオンしたときのドレインからソースへの電流経路の抵抗です。システムエンジニアは、低R_DSONのSiC MOSFETを選択するか、複数のSiC MOSFETを並列に構成するか、あるいはその両方を実施することで、非常に低い伝導損失が得られるように設計できます。

SiCスイッチング損失はさらに複雑であり、全ゲート電荷量（Q_G(TOT) ）、逆回復電荷量（Q_RR）、入力容量（C_ISS）、ゲート抵抗（R_G）、E_ON損失、E_OFF損失などのパラメータに影響されます。

Q_G(TOT)、全ゲート電荷量

全ゲート電荷量Q_G(TOT)は、MOSFETを完全にターンオンまたはオフにするためにゲートドライバがゲート電極に注入する必要がある電荷量（クーロン）です。通常、Q_G(TOT)はR_DSONに反比例します。そのため、システムエンジニアが高電力アプリケーションで導通損失を低減するために、より低いR_DSONのSiC MOSFETを選択すると、それに比例してゲート駆動のソース（ターンオン）とシンク（ターンオフ）の電流要件が増加します。

一方では、スイッチング損失を最小限に抑えるために、できるだけ早くターンオン／オフする必要があるので、スイッチング損失を低減するシステム設計は非常に困難になります。しかし他方では、スイッチング速度が速くなると、不要な電磁干渉（EMI）が発生したり、特にハーフブリッジトポロジの場合、意図的なスイッチのターンオフ中に潜在的に危険で意図しない寄生ターンオンが発生したりする可能性があります。

ターンオンとターンオフ

MOSFETを動作させて導通を開始するには、ソース端子を基準とした電圧をゲート端子に印加する必要があります。パワーデバイスのゲートに電圧を印加し、駆動電流を供給するために、専用ドライバが使用されます。ゲートドライバは、駆動電流をソースまたはシンクすることで、パワーデバイスをオン／オフする役割を果たします。そのために、ゲートドライバがパワーデバイスのゲートを最終ターンオン電圧V_GS(ON)まで充電するか、駆動回路がゲートを最終ターンオフ電圧V_GS(OFF)まで放電します。2つのゲート電圧レベル間の遷移には、ゲートドライバ、ゲート抵抗、およびパワーデバイス間のループ内で消費される一定量の電力が必要です。

現在、低・中電力アプリケーション用の高周波コンバータには、主にパワーMOSFETが使用されています。しかし、ゲートドライバはMOSFETだけでなく、SiC MOSFETやGaN（窒化ガリウム）MOSFETのようなワイドバンドギャップグループの比較的新しく難解なデバイスにも理想的です。高速でのオン／オフ電力スイッチングに高い駆動電流が必要な場合、現在使用されているデバイスの中で最も性能が高いのは通常SiC MOSFETです。

寄生ターンオン

di/dtが非常に高いため、ゲートドライバが最小ゲートソース間電圧に達すると、過大なリンギングが発生するおそれがあります。これは、PCBレイアウトとパッケージングによって増大した寄生容量とインダクタンスによってさらに悪化し、ターンオフ時に誘導キックを引き起こします。このような誘導性キックにより、意図せずにV_GS(TH)がトリップし、意図したターンオフ中に偶発的にターンオンして、最悪の結果を引き起こす可能性があります。例えば、ハーフブリッジアプリケーションを考えてみましょう。ローサイドスイッチがターンオフし、ハイサイドスイッチがターンオンしようとしている時、ローサイドスイッチが誤ってターンオンし（V_GS(TH)が誘導キックによってトリップされる）、ハイサイドスイッチとローサイドスイッチの両方が同時にターンオンする可能性があります（シュートスルー電流）。これにより、高電圧レールからグランドへの直接短絡が発生し、MOSFETが損傷するおそれがあります。この問題に対する効果的な対策の1つは、ターンオフ時に0Vを下回る-3Vまたは-5VまでスイングさせてこのV_GS(TH)をトリップする、偶発的な誘導キックに対するヘッドルームすなわちマージンを作ることです。

スイッチング損失

図2のプロット（出典：AND90204/D）は、X軸が0V～-5Vの負バイアスターンオフ電圧、Y軸がスイッチング損失（μJ）を表し、負バイアスターンオフによるE_OFFスイッチング損失の低減という2つ目の利点を示しています。実際、高スイッチング周波数アプリケーション専用に設計されたオンセミの第2世代「M3S」シリーズのSiC MOSFETを駆動する際に、ターンオフ電圧を0Vから-3Vに下げることで、スイッチング損失を100 uJも低減できます。E_OFFを0V時の350μJから-3V負バイアスターンオフ時の250μJに低減することで、E_OFF損失を25%削減できます。ここで、0.1パーセントの重要性を忘れないでください。