フローティンググランド非絶縁ハーフブリッジゲートドライバの活用

製品設計者は、フットプリント、コスト、信頼性、市場投入までの時間といった複数の制約のバランスを取る必要があります。重要な課題は、最新のアプリケーションに必要な狭いスペースに収まる電源を選択することです。

小型で高性能なパワー段は、高速で信頼性の高いゲートドライブソリューションに依存しています。これらのソリューションは、シンプルなローサイドドライバから、高電圧環境に適した完全絶縁型までさまざまです。多くの設計では、フローティンググラウンドの非絶縁ゲートドライバが成功への効率的な道を提供します。

ゲートドライバは、多くの場合マイクロコントローラやパルス幅変調（PWM）コントローラからの低電圧制御信号と、エネルギーフローを調整するハイパワースイッチの間の仲介役として機能します。ゲートドライバは、電源供給を最適化するために、クリーンで高速かつ正確なスイッチングを実現します。

適切なゲートドライバを選択するには、電圧と電流の要件、トポロジ、スイッチング周波数を評価する必要があります。最適なドライバは、効率、タイミング精度、熱安定性を向上させ、高性能でコンパクトなシステムに不可欠です。

ハーフブリッジトポロジの利点

ハーフブリッジトポロジは、現代のパワー変換で広く使われているアプローチであり、小型設計で効率的な電圧の安定化を可能にします。これは、2つの高速スイッチングデバイス（通常はMOSFETか絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（IGBT））に依存し、入力電圧を交互に切り替えて、絶縁設計ではトランスに供給し、非絶縁システムでは負荷に直接電源を供給します。このトポロジは、その効率と熱最適化の可能性が評価されています。

ゲートドライバICは、コントローラとパワー段間のインターフェースとして機能し、これらのスイッチを制御する上で重要な役割を果たします。PWM信号を大電流駆動信号に変換し、ハイサイドトランジスタとローサイドトランジスタの高速かつ正確なスイッチングを実現します。この高速で効率的な動作は、エネルギー損失を最小限に抑え、システム全体のパフォーマンスを向上させます。

ハーフブリッジ回路では、ハイサイドMOSFETのソースがスイッチングノードに接続され、スイッチングサイクルに基づいてグランド（0V）と入力電圧（12V、48Vなど）の間を高速で切り替えます。フローティンググラウンド非絶縁ゲートドライバでは、ハイサイドドライバがスイッチングノードの電圧で「フローティング」するため、クリーンで効率的なトランジションが可能になります。

絶縁は不要で、小型化、スピード、効率を優先する場合、フローティンググラウンド非絶縁ハーフブリッジゲートドライバは理想的なソリューションを提供します。ハイサイドとローサイドの両方のMOSFETスイッチを制御するように設計されたこれらのドライバは、正確なスイッチング性能を確保しながら、絶縁の複雑さを解消します。制御ロジックとパワー段の間にガルバニック絶縁を必要としないため、すべてのコンポーネントが共通のグラウンドを共有するシステムで最もよく効果的に機能します。

ハイサイドMOSFETに必要なゲート駆動電圧の生成には、通常、ブートストラップコンデンサが使用されます。このコンデンサは、ローサイドスイッチがアクティブになるときに充電され、ハイサイドスイッチがオンになったときに電源を供給します。

ローサイドMOSFETが導通すると、スイッチングノードがグランドに引っ張られ、小さなダイオードコンデンサ回路が電源レールからブートストラップコンデンサを充電できるようになります。ハイサイドMOSFETをオンにする必要があるとき、ドライバはこの蓄積された電荷を利用してゲートをスイッチングノードよりも高い電圧（多くの場合10V～15V）まで引き上げます。

設計者は、ブートストラップコンデンサを再充電するのに十分な頻度でローサイドスイッチがオンになるようにしなければなりません。高デューティサイクルのアプリケーションでは、適切なコンデンサ値の選択やブートストラップダイオードの電圧降下の最小化など、さらなる対策が必要な場合があります。

ブートストラップアーキテクチャを活用し、スイッチングノード電圧をトラッキングすることで、フローティンググラウンド非絶縁ハーフブリッジドライバは、堅牢なハイサイド制御を確保しながら、絶縁の複雑さを解消します。そのシンプルさと効率の高さから、降圧コンバータや昇圧コンバータ、同期レギュレータ、モータドライブ、D級オーディオアンプなどの高周波スイッチングアプリケーションに適しています。

正しいゲートドライバICの選択

適切なゲートドライバを選択することは、特に降圧コンバータ、モータドライブ、太陽光発電システムなどの高速スイッチングアプリケーションにおいて、パワー段の効率的で信頼性の高い安全な動作を保証するために不可欠です。ゲートドライブの基本は幅広く適用されますが、システム要件によっては、特定の選択基準が特に重要になります。

たとえば、太陽光発電やバッテリ駆動システムでは、ゲートドライバは幅広い入力電圧変動や負荷条件の変化に対応する必要があります。電源レールの完全な変動に耐え、長期的な信頼性を確保するためには、十分なヘッドルームを持つハイサイド電圧定格が必要です。

同相過渡電圧耐性（CMTI）も重要な検討事項です。高速スイッチング動作は、ハイサイドとローサイドのMOSFET間に急峻な電圧差を発生させるため、ノイズやリンギングの原因となります。CMTIが高いゲートドライバは、電気的にノイズの多い環境においてより優れた安定性を提供します。

特にハイパワーアプリケーションではピーク駆動電流も同様に重要です。ドライバは、MOSFETゲートを素早く充電し、寄生容量を克服してスイッチング損失を低減し、熱性能を改善するのに十分な電流を供給する必要があります。

最後に、ハーフブリッジ構成ではデッドタイム制御が重要な役割を果たします。一方のスイッチをオフにしてから、もう一方のスイッチを動作させるまでの遅延が小さくないと、両方のMOSFETが同時に導通するシュートスルーが発生する可能性があります。多くのゲートドライバは、この問題を防止し、さまざまな負荷条件にわたって安全で効率的な動作を可能にするために、内蔵または調整可能なデッドタイム設定機能を組み込んでいます。

ADIのLTC706xファミリ

フローティンググラウンド非絶縁ハーフブリッジドライバのシンプルさと高速スイッチング能力により、多くの設計に最適なソリューションとなります。Analog Devices, Inc.（ADI）は、要求の厳しいアプリケーション向けに設計された、機能豊富な高電圧デバイスを幅広く提供しています。

ADIのLTC706xフローティンググラウンド非絶縁ハーフブリッジゲートドライバ（図1）は、高速、高電圧のパワー変換の要求を満たす多用途のソリューションを提供します。車載用から産業用制御まで幅広いアプリケーションに対応するこれらのデバイスは、小型のパッケージで、厳密なタイミング制御、シュートスルー保護、強力なドライブ能力を提供します。

図1：ADIのLTC706xフローティンググラウンド非絶縁ハーフブリッジドライバのフォームファクタ。（画像提供：Analog Devices, Inc.）

ADI製品は、電圧、ロジック、レイアウト要件に適合する幅広いオプションを提供し、設計者がシステムレベルの性能とシンプルさの適切なバランスを達成するのに役立ちます。すべての製品がNチャンネルMOSFETをサポートし、PチャンネルMOSFETよりも低いオン抵抗（RDS_ON）、高速スイッチング速度、および高い電流処理能力を提供します。

以下の2種類のデバイスは最大電源電圧100Vをサポートします。

• LTC7060は、トライステート機能を備えた単一のPWM入力に依存するシステム向けに最適化されており、1本の制御ラインからハイサイドとローサイドの両方のゲート駆動タイミングを得ることができます。これにより、デジタルコントローラのインターフェースが簡素化され、ピン数が削減されるため、スペースに制約のあるアプリケーションで使用できます。トライステート入力モードはまた、安全なハイインピーダンス状態を可能にし、特定の故障発生時におけるフォールトトレランスのレイヤを追加します。シンプルさとコンパクトさを求める設計者に適した選択肢です。
• LTC7061は、ハイサイドとローサイドのスイッチに独立したCMOSまたはTTLロジックレベル入力を備えたアプリケーション向けに設計されています。このデュアル入力方式により、タイミングをより柔軟に制御できるようになり、特にデッドタイムをマイクロコントローラやPWMコントローラで外部管理するシステムで威力を発揮します。スイッチング動作の厳密な制御やカスタムタイミング制御が必要な設計者にとって、LTC7061は柔軟な制御で性能を調整できる、より適応性の高いインターフェースを提供します。

入力電圧が100Vを超えるアプリケーション（産業用モータドライブ、車載用48Vレール、Power-over-Ethernetインフラなど）では、設計者は最大電源電圧140Vをサポートする以下の2つのオプションを利用できます。

• LTC7063は3ステートのPWM入力を備えており、1つの入力信号でハイサイドとローサイドの両方のMOSFETを制御できます。この構成では、PWMピンがその電圧レベルに基づいてMOSFETの状態を決定するため、制御インターフェースが簡素化されます。設計者は、制御インターフェースの簡素化、ピン数の削減、高密度プリント基板上の信号配線の複雑さの軽減などの利点があるハイパワーアプリケーションにこの構成を好むかもしれません。LTC7063の実用的なアプリケーションの1つに、リモート負荷を持つ2:1降圧コンバータ設計があります（図2）。最大80Vの入力電圧で動作するこの構成では、入力電圧の半分（1/2V_IN）を最大5Aの負荷に供給します。

図2：LTC7063フローティンググラウンド非絶縁ハーフブリッジゲートドライバを使用したリモート負荷付き降圧コンバータ設計。（画像提供：Analog Devices, Inc.）

• LTC7066は、ハイサイドドライバとローサイドドライバ用に独立したCMOS/TTLロジックレベル入力を備えており、各MOSFETに個別の制御信号を供給します。これにより、正確で柔軟な制御が可能になり、設計者はタイミング、デッドタイム、スイッチング動作を最大限に活用できます。このため、高性能デジタルコントローラやFPGAを使用したシステムなど、きめ細かなデジタル制御を行うシステムに最適です。

低電圧環境でも高電圧環境でも、ラインアップの各デバイスには、設計者がパワー段から最大限の性能を引き出すのに不可欠な保護機能とチューニングパラメータが含まれています。

各製品は、ハイサイドとローサイドのMOSFETが同時に導通するのを防ぐ適応型シュートスルー保護機能を備えています。さらに、各デバイスは調整可能なデッドタイムをサポートしているため、設計者はスイッチング遷移間の遅延を微調整して、効率を犠牲にすることなく損失を最小限に抑え、相互の導通を回避することができます。不足電圧ロックアウト（UVLO）も共通の機能で、電源電圧が安全なスレッショルド内にある場合にのみゲートドライバが動作するようにします。

性能面では、LTC706xデバイスはいずれも強力なゲートドライブインピーダンスを備えており、標準的な値は1.5Ωのプルアップと0.8Ωのプルダウンです。これにより、高速スイッチング、厳密なタイミング制御、高速アプリケーションにおけるスイッチング損失の低減に不可欠な、高速なゲートの充放電が可能になります。

従来のブートストラップ方式では不十分な高デューティサイクルのアプリケーションでは、設計者は別のゲート駆動技術を評価することができます。複雑さ、効率、コストの観点から、それぞれのトレードオフを考慮する必要があります。たとえば、絶縁型ゲートドライバは、トランスまたはデジタルアイソレータを利用して独立したゲート駆動電圧を供給するため、ブートストラップ充電機構が不要になります。一方、直接バイアス電源はスイッチングサイクルに依存しない安定したゲート駆動電圧を供給できます。

まとめ

スピード、効率、小型設計が最優先されるハイパワーアプリケーションでは、フローティンググラウンド非絶縁ハーフブリッジゲートドライバが、ハイサイドとローサイドの両方のMOSFETを制御するための最適なソリューションを提供します。ブートストラップ回路を活用して必要なゲート駆動電圧を生成することで、これらのドライバは、正確なスイッチング性能を維持しながら、絶縁設計の複雑さを解消します。ADIのLTC706x製品ファミリは、高速、高電圧のパワー変換の要求を満たす幅広い汎用ソリューションを提供します。