게이트 드라이버

Gate driver

게이트 드라이버는 컨트롤러 IC로부터 저전력 입력을 받아 IGBT나 파워 MOSFET와 같은 고출력 트랜지스터 게이트에 대한 고전류 드라이브 입력을 생성하는 파워앰프다.게이트 드라이버는 온칩 또는 이산 모듈로 제공될 수 있다.본질적으로 게이트 드라이버는 앰프와 조합된 레벨 시프터로 구성된다.게이트 드라이버 IC는 제어 신호(디지털 또는 아날로그 컨트롤러)와 전원 스위치(IGBT, MOSFET, SiC MOSFET, GaN HEMT) 사이의 인터페이스 역할을 한다.통합된 게이트 드라이버 솔루션은 설계 복잡성, 개발 시간, BOM(Bill of Materials), 보드 공간을 줄이는 동시에 별개로 구현된 게이트 드라이브 솔루션보다 신뢰성을 향상시킨다.[1]

역사

국제 정류기(IR)는 1989년 최초의 단일형 HVIC 게이트 드라이버 제품을 선보였고, 고전압 집적회로(HVIC) 기술은 600V와 1200V의 오프셋 전압을 작동하기 위해 700V와 1400V 이상의 고장 전압을 가진 양극성, CMOS, 횡방향 DMOS 소자를 통합한 특허 및 독점적인 단일 구조물을 사용한다..[2]

이 혼합신호 HVIC 기술을 사용하면 고전압 레벨 변환 회로와 저전압 아날로그 및 디지털 회로를 모두 구현할 수 있다.나머지 저전압 회로로부터 떨어진 동일한 실리콘에 600V 또는 1200V를 '플로트'할 수 있는 고전압 회로(폴리실리콘 링에 의해 형성된 '웰' 안에)를 배치할 수 있는 기능으로, 고전압 MOSFET 또는 IGBT는 버크, 동기 부스트, 하프 브리지, 풀 브리지 및 3-브리지와 같은 많은 인기 있는 오프라인 회로 토폴로지에 존재한다.부동 스위치가 있는 HVIC 게이트 드라이버는 하이사이드, 하프 브리지 및 3상 구성이 필요한 토폴로지에 적합하다.[3]

목적

양극성 트랜지스터와 대조적으로, MOSFET는 켜지거나 꺼지지 않는 한 일정한 전력 입력이 필요하지 않다.MOSFET의 절연 게이트 전극은 캐패시터(게이트 캐패시터)를 형성하며, 이는 MOSFET를 켜거나 끌 때마다 충전 또는 방전되어야 한다.트랜지스터를 켜려면 특정 게이트 전압이 필요하므로, 게이트 캐패시터를 적어도 트랜지스터를 켜는 데 필요한 게이트 전압까지 충전해야 한다.마찬가지로 트랜지스터를 끄려면 이 전하를 방전시켜야 한다. 즉, 게이트 캐패시터를 방전시켜야 한다.

트랜지스터를 켜거나 끌 때 트랜지스터는 비전도 상태에서 전도 상태로 즉시 전환되지 않으며, 일시적으로 고전압을 모두 지지하고 고전류를 전도할 수 있다.결과적으로, 트랜지스터에 게이트 전류를 인가하여 트랜지스터를 전환시킬 때, 어떤 경우에는 트랜지스터를 파괴하기에 충분한 양의 열이 발생한다.따라서 스위칭 손실을 최소화하기 위해 스위칭 시간을 최대한 짧게 유지할 필요가 있다.일반적인 전환 시간은 마이크로초 범위에 있다.트랜지스터의 스위칭 시간은 게이트 충전에 사용되는 전류의 양과 반비례한다.따라서 개폐 전류는 수백 밀리암페어의 범위 또는 심지어 암페어의 범위에서도 요구되는 경우가 많다.약 10-15V의 일반적인 게이트 전압의 경우 스위치를 구동하기 위해 몇 와트의 전력이 필요할 수 있다.예를 들어 DC-DC 컨버터나 대형 전기 모터와 같이 큰 전류가 높은 주파수에서 스위칭될 때, 충분히 높은 스위칭 전류와 스위칭 전력을 제공하기 위해 다수의 트랜지스터가 병렬로 제공되기도 한다.

트랜지스터의 스위칭 신호는 일반적으로 논리 회로나 마이크로컨트롤러에 의해 생성되며, 출력 신호는 일반적으로 몇 밀리암페어의 전류로 제한된다.결과적으로 그러한 신호에 의해 직접 구동되는 트랜지스터는 매우 느리게 전환되고 그에 상응하는 높은 전력 손실이 발생할 것이다.전환 중에 트랜지스터의 게이트 캐패시터는 전류를 너무 빨리 끌어 로직 회로나 마이크로컨트롤러에서 전류가 과다하게 흐르게 하여 과열을 일으켜 칩이 영구적으로 손상되거나 완전히 파괴될 수 있다.이를 방지하기 위해 마이크로컨트롤러 출력 신호와 파워 트랜지스터 사이에 게이트 드라이버를 제공한다.

충전 펌프는 하이사이드 드라이버의 H-브리지에서 하이사이드 전원 MOSFET 및 IGBT를 구동하는 게이트를 위해 자주 사용된다.이 장치들은 성능이 좋기 때문에 사용되지만, 파워 레일 위 몇 볼트 위에 게이트 드라이브 전압이 필요하다.하프 브리지의 중심이 낮아지면 캐패시터가 다이오드를 통해 충전되며, 이 충전은 나중에 하이사이드 FET 게이트의 게이트를 소스 또는 이미터 핀의 전압보다 몇 볼트 높게 구동하여 켜는 데 사용된다.이 전략은 브리지가 정기적으로 전환되고 별도의 전원 공급 장치를 가동해야 하는 복잡성을 방지하고 하이 스위치와 로우 스위치 모두에 보다 효율적인 n채널 장치를 사용할 수 있는 경우에 잘 작동한다.

참조

  1. ^ https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-Selection_Guide_Gate_Driver_ICs-SG-v01_00-EN.pdf?fileId=5546d46250cc1fdf015110069cb90f49[bare URL PDF]
  2. ^ "Gate Driver ICs - Infineon Technologies".
  3. ^ https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-Selection_Guide_Gate_Driver_ICs-SG-v01_00-EN.pdf?fileId=5546d46250cc1fdf015110069cb90f49[bare URL PDF]

외부 링크