【完全図解】ゲートドライバICとは？｜なぜマイコン直結ではダメなのか

パワーエレクトロニクスを学び始めると、必ず出会うのが「ゲートドライバIC」という部品です。

「MOSFETのゲートに信号を入れるだけでしょ？マイコンから直接つなげばいいじゃん」と思ったことはありませんか？

実は、それではまともに動かないのです。この記事では、なぜゲートドライバICが必要なのか、その「物理的な理由」をイメージ重視で完全図解します。

そもそもMOSFETはどうやってON/OFFするのか？

ゲートドライバを理解するには、まずMOSFETの動作原理を押さえる必要があります。

MOSFETは「電圧」でON/OFFするスイッチ

MOSFETには3つの端子があります。ゲート（G）・ドレイン（D）・ソース（S）です。

つまり、MOSFETをONにするには「ゲートに電圧をかける」だけでOK…と思いきや、実はそう単純ではありません。

MOSFETのゲートは「コンデンサ」である

ここが最重要ポイントです。MOSFETのゲートは、電気的には「コンデンサ」と同じ構造をしています。

コンデンサには「電荷を蓄えないと電圧が上がらない」という性質があります。

つまり、MOSFETをONにするには電圧だけでなく「電荷」を供給する必要があるのです。この電荷を「ゲート電荷（Qg）」と呼びます。

なぜマイコン直結ではダメなのか？【3つの理由】

ここからが本題です。なぜマイコンのGPIOから直接MOSFETを駆動できないのか、3つの理由を解説します。

理由①：マイコンのドライブ能力が足りない

MOSFETを高速にON/OFFするには、ゲート容量を素早く充放電する必要があります。これには大きな電流が必要です。

具体的な数値で見てみましょう。

一方、マイコンのGPIOが出せる電流はどれくらいでしょうか？

理由②：電圧レベルが合わない

マイコンとMOSFETでは、必要な電圧レベルが異なります。

なぜMOSFETには10〜15Vが必要なのでしょうか？

理由③：ハイサイド駆動ができない

これが最も重要で、多くの初心者がつまずくポイントです。

まず、「ハイサイド」と「ローサイド」という用語を理解しましょう。

ローサイドスイッチは比較的簡単です。ソースがGNDに接続されているため、マイコンの電圧を基準にしてゲートを駆動できます。

問題はハイサイドスイッチです。

マイコンの3.3Vや5Vでは、到底この電圧は作れません。これが「マイコン直結ではハイサイドを駆動できない」根本的な理由です。

ゲートドライバICが解決する3つの問題

ゲートドライバICは、上記の3つの問題をすべて解決してくれる「通訳」兼「増幅器」です。

ゲートドライバICの主な機能

ハイサイド駆動の仕組み：ブートストラップ回路

ハイサイドMOSFETを駆動するために、ゲートドライバICは「ブートストラップ回路」という巧みな仕組みを使います。

ブートストラップ ＝ 「自分で自分を持ち上げる」

「ブートストラップ」という言葉は、「自分の靴紐を引っ張って自分を持ち上げる」という意味から来ています。物理的には不可能ですが、電気回路では可能なのです。

ブートストラップの限界と代替手段

ブートストラップ方式は安価で広く使われますが、いくつかの制約があります。

デッドタイム：上下同時ONを防ぐ

ハーフブリッジやフルブリッジ回路では、上下のスイッチが同時にONになると大事故が起きます。

貫通電流 ＝ 「電源をショートさせる」

これを防ぐために、ゲートドライバICは「デッドタイム」を挿入します。

ゲートドライバICの種類

用途に応じて、様々なタイプのゲートドライバICがあります。

まとめ：ゲートドライバICは「通訳」であり「増幅器」

ゲートドライバICは、マイコンの「か弱い信号」をMOSFETが理解できる「力強い信号」に変換してくれる、まさに「通訳」兼「増幅器」です。

パワーエレクトロニクスの世界では、主役のMOSFETやIGBTに目が行きがちですが、脇役のゲートドライバこそが回路の安定動作を左右すると言っても過言ではありません。