WBGデバイスがゲートドライバの電源に引き起こす問題

SiCとGaNは are ワイドバンドギャップ（WBG）半導体材料であり、損失が少なく高速にスイッチングできるため、パワーエレクトロニクスアプリケーションでは従来のシリコン（Si）よりも優れています。高効率と高電力密度が重視されるアプリケーションにおいて、大きな市場シェアを獲得しています。

アーリーアダプターはテクノロジーによって異なります。 より成熟した技術であるSiCは、電気自動車のトラクションインバータの電源としてSi IGBTsにほぼ取って代わり、GaNはノートパソコンや類似のデバイスの充電器で大きな成功を収めています。

SiCおよびGaNトランジスタのゲートドライバは、各デバイスの特定の特性に合わせて調整する必要があります。ハイサイドゲートドライバの場合、ゲートドライバとそのDC電源を絶縁する必要があります。

第一世代のSiC MOSFETsは通常、オン抵抗を最低にするため、オン状態で+20V V_DDのゲートドライブが必要になります。ゲートのターンオン閾値は2V未満になる可能性があるため、SiCMOSFETドライバは通常、最適なスイッチング信頼性を確保するために、ターンオフフェーズ中に負のゲート電圧にスイングします。

次世代デバイスの場合、最適なターンオン電圧は+15または+18V、ターンオフ電圧は-3または-4Vです。ゲートドライバ はオーダーから数ナノ秒の非常に高速な立ち上がりおよび立ち下がり時間に対応できる必要がありますが、そうでなければ、ほとんどのゲートドライバは非対称V_DDとV_EE電源電圧でも問題なく使用できます。ゲートドライバの消費電力はスイッチング周波数が高くなると増加しますが、ピークゲートドライブ電流はドライバ電源ピンの近くに配置されたコンデンサによって供給されるため、必要なのは2W～3Wの低電力のDC/DCコンバータだけです。

GaN高電子移動度トランジスタ（HEMT）の典型的なフルエンハンスメント電圧は7Vですが、V_GSが10Vを超えると損傷を受けます。これはSiCゲートドライバに必要なゲート電圧よりもはるかに低い電圧です。HEMT構造の低容量ゲートチャネルの立ち上がり時間と立ち下がり時間は非常に速いため、外部ゲートドライブのインダクタンスが過剰になると、スパイクや電圧リンギングが発生し、これらの電圧制限を超えてしまう可能性があります。したがって、6Vのゲート駆動電圧は、高効率かつ安全な動作範囲を維持するために適切な妥協点となります。SiC MOSFETとは異なり、HEMTゲートチャネルの静電容量が低いため、ターンオフ電圧を0ボルトにすることができます。

最適なゲートドライバ電源電圧の組み合わせは、トランジスタの種類（IGBT、SiC、GaN）、製造元、テクノロジーの世代、およびカスコード構成の使用の有無によって異なります（図3）。このため、エレクトロニクス業界では懸念が生じています。最適なターンオン電圧とターンオフ電圧が異なる将来の世代や代替ソーストランジスタサプライヤーに容易に対応できるよう、将来性のある設計にするにはどうすれば良いでしょうか。

このジレンマを解決するのがRECOMの新しいR24C2T25コンバータです。これは、絶縁型WBGゲートドライバに電力を供給するために特別に設計された、ICスタイルのSSOPパッケージの絶縁型SMD DC/DCコンバータです。安定化された正および負の出力電圧は、プリセット抵抗を使用して+2.5V～+22.5V/-2.5V～-22.5Vの範囲で個別に調整できるため、IGBT、MOSFET、SiC（全世代）、さらにはGaNの既存のすべてのゲートドライバ電圧を1つの部品でカバーすることができます（図4）。

出力は基本グレードで3kVrms/1分まで絶縁されており、-40°C～+105°Cの全動作温度範囲にわたって、ディレーティングなしで1.5Wを供給します（+85°Cまでは2W）。CMTI（コモンモード過渡耐性）値は150kV/µsを超えるため、この電源は非常に高速なスイッチングエッジで使用できます。この製品は、スイッチングトランジスタの近くに取り付けることができるSMD SSOPパッケージを使用しており、出力は完全に保護されているため（UVLO、OTP、SCP、OLP）、安心して取り付けることができます。