電気絶縁に対する統合型ゲートドライバのアプローチがもたらす動作上の利点

著者: Guy Rahamim - 06-07-2021

一般的に、電気絶縁は、電源システムの設計に不可欠です。高電圧と低電圧の領域を電気的に分離することで、領域間の電流の流れを防ぐことができます。そうしないと、深刻な安全性問題を起こすことがあります。もちろん、領域間のデータの流れを可能にすることにより、絶縁領域間で相互通信することは必要であり可能です。

絶縁は、ごく普通に行われていますが、それを効果的に導入することは、特に、より高度のシステム統合へ移行する場合に問題となることがあります。絶縁の第一の目的は安全性ですが、コモンモード過渡耐性（common mode transient immunity、CMTI）を最大限に高めて性能を向上させることができます。これは、絶縁が自動車業界で使用されている主な理由の 1 つです。もう1つの理由は、特に電気自動車において電圧領域間の電力変換とレベル・シフトを可能にするためです。

一般的に、電力変換システムは、パワー MOSFET または IGBTを使用します。これらのデバイスでは、低電圧信号を使用してオン・オフを切り替えるゲートドライバが必要です。これは、異なる電圧領域を分離しつつ接続するために、絶縁が必要な典型的な例です。通常、絶縁は、オプトカプラを使用して実施されますが、これには少なくとも 2 つのディスクリートデバイスが必要です。 1 つは LED などのエミッタであり、もう1つはフォトダイオードなどのレシーバです。

オプトカプラは、5 kVrms 以上の非常に高い絶縁を容易に達成できますが、かさばる上に経年劣化しやすい特徴があります。必要な絶縁レベルを維持しつつ、光を使用せず絶縁バリアを超えて通信することは可能です。オプトカプラは多くのアプリケーションで理想的ですが、より利便性の高い統合型絶縁素子を使用した代替技術を使用する傾向もあります。オン・セミコンダクターの NCD57001 はその一例です。これはコアレストランスによる磁気カップリングを使用して、微細加工されたいインダクタ間のデータパスを形成し、5kVrms のガルバニック絶縁と最低 100kV／μs の CMTI を実現しています。

図 1　NCD57001：オン・セミコンダクターの先進のゲートドライバ IC

NCD57001の注目すべきもう1つの特徴は、一般的な問題を解決するために特別に開発された出力ステージです。これは、ミラープラトーを克服するために設計された内部バッファステージを特徴としています。ミラープラトーとは、多くのゲートドライバで問題となる伝達曲線の部分です。この期間中は寄生ミラー容量が生じ、オン／オフの遷移速度が遅くなります。

ミラー容量による影響を補うために、出力バッファは、ミラープラトーを通して駆動電流を増加させます。スイッチング損失の大部分は、ゲート端子におけるミラー容量が原因です。大電流の出力ドライブを用意することにより、ゲート電圧が上昇し始め、ドライバの出力電圧とゲート電圧の差が小さくなるにつれ、IGBT や MOSFET は、ミラープラトーを早く通過できます。これは、出力ステージの昇圧効果を利用して、寄生／ミラーゲート容量の充電時間を短縮することにより達成されます。

NCD57001 は、コアレストランス技術を使用して、チップレベルのゲートドライバにおいて効果的な絶縁を提供します。この完全統合型の絶縁型ゲートドライバは、実際に技術的な恩恵をもたらし、高レベルの絶縁を必要とする小型アプリケーションにおいて光絶縁ドライブに替わる優れた手段になります。また、ミラープラトーを克服するために設計された出力ブーストステージにより、スイッチング効率を向上させます。高いDC電圧を採用するアプリケーションが増加するにつれ、効率的で安全な絶縁のニーズが高まっています。 NCD57001のような革新的なソリューションは、来るべきパワー・スイッチング・アプリケーションにポジティブな変化をもたらすことができます。

大電流ゲートドライバ NCD57001と当社の包括的なゲートドライバソリューションの詳細については、当社のアプリケーションノート をご覧ください。

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