現(xiàn)在、人気がある第3世代半導(dǎo)體技術(shù)として、GaNはデータセンター、太陽(yáng)光発電、エネルギー貯蔵、EV車などの市場(chǎng)で幅広く適用します。従來(lái)のSiデバイスに比べて、GaNはより高いスイッチング周波數(shù)になり、スイッチング損耗が低下になった一方、ドライバICやドライブ回路の設(shè)計(jì)にもより高い要求されています。

ゲート特性により、GaNは常時(shí)オンのデプリーション?モード (D-mode)、と常時(shí)オフのエンハンスメント?モード (E-mode)の2つのタイプにわけています；アプリケーションの違いによって、GaNは絶縁または非絶縁、ローサイドまたはブートストラップ、ゼロボルトまたは負(fù)圧オフなど、様々なドライブ形式が必要です。異なるタイプのGaNとさまざまなアプリケーションに対応するため、NOVOSENSEは一連のドライバICソリューションを発表し、GaNデバイスの性能上のメリットを十分に生かせます。

０１　デプリーション?モード (D モード)GaN駆動(dòng)ソリューション

一、D-mode GaNタイプと特徴

常時(shí)オンのデプリーション?モード (D-mode)GaNはそれ自體では直接使用できないため、周辺デバイスを追加することで、D-mode GaNを常時(shí)オンモードから常時(shí)オフモードに変更する必要があり、主にカスコード（Cascode）とダイレクトドライブ（Direct Drive）の2種類の技術(shù)アーキテクチャがあります；そのうち、カスケード型のD-mode GaNがさらに主流である。次の図1により、カスケード型のD-mode GaNは、低電圧Si MOSFETのスイッチを利用して全體のスイッチを動(dòng)かすことで、常時(shí)オンモードを常時(shí)オフモードに変更します。

図1 カスケード型D-mode GaNの構(gòu)成

低電圧Si MOSはさらに、オン狀態(tài)の間にチャネル抵抗にカスケードし、デバイスの全體的なスイッチングプロセスに関與したが、低電圧Si MOSのオン狀態(tài)の抵抗とスイッチング性能は本質(zhì)的に理想的であるため、GaNデバイスへの全體的な影響は限られています。

カスケード型のD-mode GaNの最大のメリットは、従來(lái)のSi MOSのドライブ回路に0V/12Vレベルでオフ/オンの制御ができることです。ただし、ドライブ回路はSi MOSと同じですが、カスケードアーキテクチャのD-mode GaNのスイッチング周波數(shù)や速度が従來(lái)のSi MOSに比べてはるかに高いため、ドライバICに高dv/dt環(huán)境で動(dòng)作できることが要求されます。

次の図2及び図3に示す通り、窒化ガリウムはハーフブリッジトポロジーを採(cǎi)用した典型的な適用回路で、GaNの高週波、高速スイッチングはハーフブリッジ中點(diǎn)の電位に高いdv/dtホップが発生させ、非絶縁ドライバICに対して、ドライバICの內(nèi)部Level shifter寄生キャパシタが高dv/dtでコモンモード電流を発生します。絶縁ドライバICに対して、ICの入出力結(jié)合キャパシタが同様にコモンモード電流経路を構(gòu)成します。これらのコモンモード電流が信號(hào)入力側(cè)に結(jié)合すると入力信號(hào)に干渉して、ドライバICの誤動(dòng)作を引き起こしたり、ひどい場(chǎng)合にはGaNのアームスルーを引き起こしたりすることもあります。

図2 非絶縁ハーフブリッジドライバICのコモンモード干渉伝播経路

図3絶縁ハーフブリッジドライバICのコモンモード干渉伝播経路

コモンモード過(guò)渡耐量（CMTI）は、GaN ドライバ IC を選択する際の重要な指標(biāo)である。 GaNデバイス、特に高耐圧、高出力アプリケーションでは、より高いスイッチング周波數(shù)とより速いスイッチング速度の要求に応えるため、CMTIが100V/ns以上のドライバICが推奨されます。

二、NOVOSENSE のD-mode GaN駆動(dòng)ソリューション

NOVOSENSEは、多數(shù)のDモードGaN用ドライバソリューションを提供することにより、さまざまなパワーバンド、絶縁型または非絶縁型など、色んなアプリケーションシニーズを満足します。

1）NSD1624：高信頼性高電圧ハーフブリッジゲートドライバ

従來(lái)の非絶縁高電圧ハーフブリッジドライバICは、一般的にlevel-shifterアーキテクチャを採(cǎi)用しており、內(nèi)部寄生キャパシタの制約のため、通常は50V/nsのコモンモード瞬変にしか耐えられません。NSD1624は、革新的に絶縁技術(shù)を高電圧ハーフブリッジドライバICのハイサイドドライブに適用し、dv/dt耐性を150V/nsまで高め、高電圧出力側(cè)は±1200Vまでの直流電圧に耐えることができます。また、NSD1624は+4/-6Aの駆動(dòng)電流能力を持ち、10~20Vの範(fàn)囲で動(dòng)作できます。ハイサイドとローサイドの出力には獨(dú)立した低電圧保護(hù)機(jī)能（UVLO）があります。NSD1624は、SOP14、SOP8、小型LGA 4*4mmパッケージをご提供し、高密電源の適用に非常に適しており、さまざまな高圧ハーフブリッジ、フルブリッジ電源トポロジーに適用できます。

図4 NSD1624 IC機(jī)能ブロック図

2）NSI6602V/NSI6602N：第二世代高性能絶縁式デュアルチャネルゲートドライバ

NSI6602V/NSI6602NはNOVOSENSEの第二世代高性能絶縁式デュアルチャネルゲートドライバで、第一世代に比べて干渉耐性とドライブ能力をさらに向上させたと同時(shí)に、入力側(cè)の耐圧能力も向上させ、消費(fèi)電力がより低くなり、最大2MHzのスイッチング周波數(shù)に対応できます。各チャネルの出力は、25nsの高速伝播遅延と5nsの最大遅延マッチングにより、最大6A/8Aのサージ電流能力を提供し、150V/nsのコモンモード瞬変耐スクランブリング（CMTI）により、システムのコモンモード干渉耐性を向上させます。NSI6602V/NSI6602Nには複數(shù)のパッケージがあり、最小パッケージは4*4mm LGAパッケージで、GaNやその他の高電力密度が要求される場(chǎng)面で使用できます。

図5.1 NSI6602N IC機(jī)能ブロック図

図5.2 NSI6602V IC機(jī)能ブロック図

3）NSI6601/NSI6601M：絶縁式シングルチャネルゲートドライバ

NSI6601/6601Mは絶縁式シングルチャネルゲートドライバであり、立ち上がり時(shí)間と立ち下がり時(shí)間を別々に制御するための絶縁出力を提供することができます。ドライバの入力側(cè)は3.1Vから17V、出力側(cè)は最大32Vの電源電圧で給電し、入出力の電源ピンには低電圧保護(hù)機(jī)能（UVLO）があります。5A/5Aのピーク電流を流すことができ、最低150V/nsのコモンモード瞬変耐スクランブリング（CMTI）によりシステムのロバスト性を確保します。また、NSI6601Mはミラー?クランプ機(jī)能も內(nèi)蔵し、ミラー電流によるミスオンのリスクを抑えることができます。

図6.1 NSI6601 IC機(jī)能ブロック図

図6.2 NSI6601M IC機(jī)能ブロック図

０２　エンハンスド型（E-mode） GaNドライブソリューション

一、E-mode GaNタイプと特徴

カスケードの低電圧Si MOSを介して常時(shí)オフモードを?qū)g現(xiàn)するCascode D-mode GaNとは異なり、E-mode GaNは直接GaNゲートをp型ドーピングしてバンド構(gòu)造を修正し、ゲートのオンしきい値を変更し常時(shí)オフ型デバイスになります。

ゲート構(gòu)造に応じて、E-mode GaNはオーム接觸の電流型とショートキー接觸の電圧型の2種類の技術(shù)路線を分けていて、そのうち電圧型が最も主流であり、以下は、電圧型の駆動(dòng)特性とソリューションを紹介します。

図7電圧型E-mode GaNの構(gòu)成

このタイプのEモードGaNの利點(diǎn)は、0Vターンオフ、正電圧伝導(dǎo)を?qū)g現(xiàn)でき、GaNの伝導(dǎo)特性やスイッチング特性を損なう必要がないことです。GaNにはボディダイオードを持たないため、ダイオードの逆再生の問(wèn)題がなく、ハードスイッチングの場(chǎng)合はスイッチング損耗やEMIノイズを低減することができます。ただし、電圧型E-mode GaNは駆動(dòng)電圧範(fàn)囲が狹く、典型的な駆動(dòng)電圧範(fàn)囲は5~6Vで、ターンオンのしきい値も非常に低いため、駆動(dòng)回路は干渉やノイズの影響を受けやすく、不適切な設(shè)計(jì)はGaNの誤ターンオンやゲート破壊を引き起こしやすいです。

表1 E-mode GaNとSi Mosの駆動(dòng)電圧の比較

*EモードGaNゲートの負(fù)電圧耐量はブランドによって大きく異なり、-1.4Vしか耐えられないものもあれば、-10Vの負(fù)電圧に耐えられるものもあります。

低電圧、ローパワー、またはデッドゾーンの損耗に敏感な適用シーンでは、一般的に0V電圧オフを使用することができます；しかし、高電圧、ハイパワーシステムでは、一般的にはノイズ耐性を強(qiáng)化し、信頼性の高いオフを保証するために、負(fù)圧オフを採(cǎi)用することをお?jiǎng)幛幛筏蓼埂％博`トオフの負(fù)圧を設(shè)計(jì)するには、GaN自體のゲート耐圧能力のほか、効率への影響も考慮する必要があります。次の表に示すように、この原因は、E-mode GaNではオフ狀態(tài)で電流の逆流、すなわち第3象限オンが可能であるが、逆方向のオン電圧降下とゲートオフの負(fù)電圧値が相関し、ゲートオフに使用する電圧が負(fù)であればあるほど逆電圧降下が大きくなり、デッドゾーンの損耗が大きくなることです。一般的に、500W以上の高電圧の適用に対して、特にハードスイッチに対して、-2V~-3Vのオフ負(fù)圧にお?jiǎng)幛幛扦埂?/span>

表2 GaN/Si MOS/IGBT狀態(tài)別電流経路

? E-mode GaN以上の駆動(dòng)特徴を考慮し、ドライバーと駆動(dòng)回路の設(shè)計(jì)に対する一般的には下記の要件を満たす必要があります：

◆ 高週波応用の耐スクランブル能力を満たすために、100V/ns以上のCMTIを備えること；

◆可提供5~6V的驅(qū)動(dòng)電壓，并且驅(qū)動(dòng)器最好集成輸出級(jí)LDO；

◆ 5~6Vの駆動(dòng)電圧を提供することができ、ドライバーは出力レベルLDOを高集積すること；

◆ダイオードを通って経路のオンとオフを區(qū)別する必要がなく、ダイオードの電圧降下によるGaNミスオンのリスクを回避するように、ドライバーは分離したOUTHとOUTLのピンを持っていることが望ましいであること；

◆ 高電圧、ハイパワーの応用、特にハードスイッチトポロジの応用に対して、負(fù)圧オフ能力を提供できること；

◆ より小さいデッドゾーンの時(shí)間を設(shè)定することで、デッドゾーンの損耗を減らすことができるように、できる限り低速の伝送遅延と伝送遅延をマッチングすること。

二、E-mode GaNドライブソリューション

一）分圧式ソリューション

E-mode GaNは、従來(lái)のSi MOSドライバーでドライブ回路を設(shè)計(jì)することができ、阻容分圧回路による電圧降下処理をする必要があります。図8に示すように、ドライブ回路のように、オンの時(shí)に、E-mode GaNゲート電圧はZener管で6V程度に制御され、オフの際に、Zener管の正のオン電圧で-0.7V程度クランプされます。GaNのオンとオフ電圧はドライバーの給電電圧とは関係なく、Dzによって決定されます。

図8 E-mode GaNの阻容分圧ドライブ回路、0Vオフ

さらに、Zener管をDzと逆直列に接続すれば、負(fù)圧シャットダウンを?qū)g現(xiàn)できます。

図9 E-mode GaNの阻容分圧ドライブ回路、負(fù)圧オフ

図10に示すように、NSD1624は10V電力を供給し、阻容分圧でE-mode GaNを駆動(dòng)する典型的な応用回路を採(cǎi)用します。同様に絶縁式ドライバーNSI6602V/NSI6602N、NSI6601/NSI6601Mも同じ回路を採(cǎi)用し、E-mode GaNを駆動(dòng)することができます。阻容分圧回路の原理やパラメーター設(shè)計(jì)については、E-mode GaNメーカーの公式サイトにアプリケーションノートが掲載されています。

図10 NSD1624阻容分圧式ドライブ回路、負(fù)圧オフ

二）ダイレクトドライブ式ソリューション

従來(lái)のSi MOSFETドライバでE-mode GaNをドライブできる抵抗容量型電圧分割ドライブ回路は、複雑な周辺回路設(shè)計(jì)が必要であり、電圧分割方式のレギュレータ管の寄生容量がE-mode GaNのスイッチング速度に影響し、アプリケーションに制約が生じます。この課題に対して、NOVOSENSEは、E-mode GaNのために専用のダイレクトドライブ式のドライバーをご提供、周辺回路の設(shè)計(jì)がよりシンプルで、信頼性が高く、E-mode GaNの性能のメリットを発揮することができます。

1）NSD2621：E-mode GaN専用高電圧ハーフブリッジゲートドライバ

NSD2621はE-mode GaNのために設(shè)計(jì)された高電圧ハーフブリッジドライバICです。NOVOSENSEの成熟した容量性絶縁技術(shù)を採(cǎi)用しており、-700Vから+700Vまでの耐圧、150V/nsのハーフブリッジ中點(diǎn)dv/dt瞬変に対応でき、低い伝送遅延特性を備えています。ハイサイドとローサイドのドライブ出力ところにはLDOが集積されており、広いVCCで5~6Vの駆動(dòng)電圧を出力し、ピーク駆動(dòng)電流2A/-4Aを供給することができ、同時(shí)に、電源システムを安全に動(dòng)作させるUVLO機(jī)能も備えています。NSD2621は,高集積度のLGA（4*4mm）パッケージを提供し、ハイパワー密度が要求される応用に適しています。図５はNSD2621の一般的な応用回路で、分圧式回路と比べ、NSD2621を採(cǎi)用して抵抗、キャパシタ、安定化管などの周辺回路を必要とせず、システム設(shè)計(jì)を簡(jiǎn)素化して、より信頼性の高いドライブを?qū)g現(xiàn)します。

図11 NSD2621典型的なアプリケーション回路

2）NSD2017： E-mode GaN専用シングルチャネルローサイドゲートドライバ

NSD2017は、E-mode GaNをドライブするために設(shè)計(jì)された車載グレードのシングルチャンネル?ローサイド?ドライバICです。低電圧誤動(dòng)作防止機(jī)能と過(guò)熱保護(hù)機(jī)能を備え、5V電源に対応。 OUTH端子とOUTL端子は、それぞれGaNのターンオンとターンオフ速度を調(diào)整するために使用され、最大7A/-5Aのピーク駆動(dòng)電流を供給できます。NSD2017は、3ns以下の伝送待ち?xí)r間があり、1.25nsの最小入力パルス幅、及びピコ秒レベルの立ち上がり時(shí)間と立ち下がり時(shí)間に対応するなど、ダイナミックな性能に優(yōu)れており、ライダーや電源コンバータなどへの適用できます。NSD2017には1.2mm*0.88mm WLCSPと2mm*2mm DFNの車載グレードコンパクトパッケージがあり、寄生インダクタンスを最小限に抑えて立ち上がり時(shí)間と立ち下がり時(shí)間を短縮し、リンギング振幅を制限します。

図12 NSD2017典型的なアプリケーション回路

3）NSI6602V/NSI6602N：E-mode GaN絶縁ドライブ

E-mode GaN絶縁ドライブのニーズに対して、NOVOSENSE　NSI6602V/NSI6602Nの欠圧點(diǎn)を調(diào)整して、E-mode GaNのドライブに直接利用できるようにしました。0Vオフを採(cǎi)用する場(chǎng)合、4V UVLOバージョンを選択します；負(fù)圧オフを採(cǎi)用する場(chǎng)合、6V UVLOバージョンを選択できます。注意點(diǎn)では、NSI6602V/NSI6602Nを採(cǎi)用してE-mode GaNを直接ドライブする場(chǎng)合、トップ管の出力は個(gè)別の絶縁給電が必要で、ブートストラップ給電はできません。これは、ダウン管E-mode GaNがデッドゾーン時(shí)に第3象限オンVdsに入ると負(fù)圧になるため、この時(shí)にブートストラップ給電でトップ管をドライブすれば、ブートストラップキャパシタが過(guò)量充電され、トップ管E-mode GaNのゲートが過(guò)圧破壊されやすいからです。図13は、NSI6602V/NSI6602NがE-mode GaNをダイレクトドライブする場(chǎng)合の典型的な適用回路であり、+6V/-3Vの駆動(dòng)電圧を提供します。

図13 NSI6602V/NSI6602N駆動(dòng)E-MODE GaN典型的なアプリケーション回路

０３　GaNパワーチップソリューション

NSG65N15KはNOVOSENSEが最新のGaNパワーチップ製品、ハーフブリッジ?ドライバと650V耐圧で150mΩのリード抵抗を持つ2つのE‐mode GaN HEMTを內(nèi)蔵しています。NSG65N15Kは、ドライバとGaNを気密封止することで共通ソースインダクタンスLcsを排除し、ゲートループインダクタンスLgを最小化することで浮遊インダクタンスの影響を回避しています。NSG65N15Kは9*9mmのQFNパッケージで、従來(lái)のディスクリート方式の5*6mmのDFNパッケージのGaNスイッチチューブ2個(gè)と4*4mmのQFNパッケージの高電圧ハーフブリッジドライブ１つ、または周辺部品を組み合わせることと比べ、総布板面積を40%以上削減実現(xiàn)できます。また、NSG65N15Kはデッドゾーン時(shí)間の調(diào)整可能、低電圧保護(hù)、過(guò)溫度保護(hù)機(jī)能を備えて、GaN適用の安全、信頼性の高い動(dòng)作を?qū)g現(xiàn)し、その高週波、高速の特性のメリットを十分に発揮し、あらゆるタイプの中小電力GaNアプリケーションに最適します。

図14 NSG65N15K IC機(jī)能ブロック図

０４　NOVOSENSEのGaNドライバソリューションの選択ガイド

NOVOSENSEは、さまざまなタイプのGaNとアプリケーションに対して、一連のドライバチップソリューションを提供しており、お客様のニーズによって最適な製品を選択いただけます。