DC-DC
このアプリケーション・ノートでは、レイアウトと熱設計の課題について説明します。最後に、48 V入力、12 V、600 W出力の 2 相バック・コンバータと24 V入力、5 V/3.3 V出力で2 MHzのデュアル出力バック・コンバータの2つの設計例によって性能を実証します。
eGaN FETの高速スイッチング速度と低オン抵抗RDS(on)は、DC-DCコンバータ内の電力消費を削減できるので、エネルギーの節約に貢献します[1]。このアプリケーション・ノートでは、EPC2215の低いRDS(on)を利用して、100～250 Vから40～60 Vに変換する効率98%のDC-DCコンバータを設計する方法を示します。3レベルの回路構成によって、電圧と電流のストレスが1/2に減少し、全体的な効率が向上します。
このアプリケーション・ノートでは、QFNパッケージに封止したGaN FETを使って、96％の効率が得られる2 kWで、48 V/12 Vの間の2相双方向コンバータEPC9165の設計について説明します。ユニットがシャーシに取り付けられた状態で、最終的に車内で機能するため、放熱能力は、無限と見なすことができます。
サーバー用途で電力要件の大電力化に対応するために、標準の48 Vバス・コンバータから、より大きな電力を抽出したいという要求が高まっています。このアプリケーション・ノートでは、48 Vのサーバー用途向けに、1/8パワー・ブリック・サイズで1.2 kW、変換比4対1のeGaN FETベースLLC共振コンバータの設計について説明します。コンバータ・モジュールのEPC9174 [1] は、ピーク効率97.3％、全負荷効率96.3％が得られます。
48 V /12 V の自動車向け評価用パワー・モジュール（EPC9137、EPC9163、EPC9165など）は、2相の同期バック（降圧型）／ブースト（昇圧型）の構成を採用しています。エッジ・コネクタとコントローラ・カードも、コントローラ１個で、2個のモジュールを並列動作させられるように設計されており、効果的に4相を実現し、定格電流と定格を2倍にできます。
48 Vは、AIシステム、データセンター、マイルドハイブリッド電気自動車など、多くのアプリケーションで採用されています。ただし、従来の12 Vのエコシステムが依然として主流であるため、12 V入力、48 V出力の高電力密度ブースト・コンバータが必要です。
最近のディスプレイは通常、低電力のブースト（昇圧型）・コンバータを必要とします。このアプリケーションでは、画面の明るさの強度が低から中程度であり、コンバータは、ほとんどの時間、軽負荷で動作するため、軽負荷時の効率が非常に重要です。
サーバー用途において、増加する電力需要に対応するために、標準的な48 Vバス・コンバータから、より大きな電力を引き出したいという要求が高まっています。このアプリケーション・ノートでは、48 Vのサーバー用途向けに、1/8パワー・ブリック・サイズで1 kW、変換比4対1のeGaN FETベースのLLC共振コンバータの設計について説明します。コンバータ・モジュールEPC9149は、ピーク効率97.5％、全負荷効率96.7％を実現しています。
このアプリケーション・ノートでは、効率95％で動作する車載品質認定GaN FETを使った48 Vと12 Vの間の1.5 kW、2相双方向コンバータの設計について説明します。放熱能力は、最終的に、ユニットがシャーシに取り付けられた状態で車内で機能するため、無限と見なすことができます。このコンバータの設計は、2つのコンバータを並列化することによって、3 kWまで拡張可能です。
ブリックDC-DCコンバータは、データセンター、電気通信、自動車の用途で広く使われており、公称48 Vのバスから公称12 Vのバス（または、12 Vから48 Vへの昇圧）に変換します。GaN集積回路（IC）技術の進歩によって、ハーフブリッジとゲート・ドライバの集積化が可能になり、この結果、レイアウトを簡素化され、面積を最小化され、コストが削減されるワン・チップ・ソリューションが実現できます。
コンピュータ、ディスプレイ、スマートフォン、その他の民生用電子機器システムが、より薄く、より大電力になるにつれて、表面温度を上昇させることなく、パワー・コンバータを薄くし、限られたスペースからより多くの電力を引き出すという課題に対処したいという需要が高まっています。このアプリケーション・ノートでは、44 V〜60 V入力、12 V〜20 V、12.5 A出力のシンプルで低コストの同期整流型バック構成で、eGaN FETを使った温度上昇が小さい薄型DC / DCパワー・モジュールの設計について説明します。
ブリックDC-DCコンバータは、データセンター、電気通信、および自動車の用途で広く採用されており、公称48 V 入力を、他にも出力電圧はありますが、公称12 V出力の分配バスに変換します。形状が決まっているので、トレンドは主に、より高い電力密度へと向かっています。このアプリケーション・ノートでは、48 V 入力、12 V 、9 V 、5 V 出力の用途にGaN FETを使って、出力電流が最大25 A 、出力電力300W、ピーク効率95.8％、最大電力密度730 W /立方インチ（1インチは2.54 cm）のデジタル制御の1/16ブリック・コンバータの設計について説明します。
過去10年にわたって、データ通信、通信、民生用電子機器といったシステムのDC-DCパワー・モジュールは、スペースと大きさの制限がきつくなり、より大きな電力を必要とし、超薄型で高効率のソリューションが必要になっています。マルチレベル・コンバータは、磁気部品のサイズを縮小し、小型なソリューションで高効率を達成するための他に類を見ない候補です。
コンピュータ市場や通信市場の急速な拡大によって、中間バス・コンバータ向けの小型、高効率で、高電力密度のソリューションが要求されています。LLC共振コンバータは、高電力密度と高効率のソリューションを提供する注目すべき候補です。非常に低いオン抵抗と非常に小さい寄生容量を備えたeGaN FETは、Si MOSFETを使ったときに損失を大幅に低減することが難しかったLLC共振コンバータの特性改善に貢献します。
コンピュータ市場や通信市場の急速な拡大によって、中間バス・コンバータ向けの小型、高効率で、高電力密度のソリューションが要求されています。LLC共振コンバータは、高電力密度と高効率のソリューションを提供する注目すべき候補です。非常に低いオン抵抗と非常に小さい寄生容量を備えたeGaN FETは、Si MOSFETを使ったときに大きな損失を低減することが難しかったLLC共振コンバータの特性改善に貢献します。EPC2053やEPC2024などのeGaN FETを採用した48 V入力、12 V出力で、900 W、1 MHzのLLC DC-DCトランス（DCX）・コンバータがデモされ、ピーク効率98.4％、電力密度1500 W / 立方インチ以上が得られています。
単相バック（降圧型）・コンバータは、最大25 A の出力電流で高効率に動作しますが、より大きな電流では電力効率が大幅に低下します。マルチフェーズ構成にしてEPC2045などのeGaN FETを採用することで、大電力のコンピューティングや電気通信のアプリケーションに適した小型で費用対効果の高い大電力、高効率の48 V 入力、12 V 出力のバック・コンバータを実現できます。
EPC20 53などのeGaN® FETを採用することで、高性能コンピュータや通信のアプリケーションに適した最も小型で最も費用対効果が高く最も高効率の25 A 出力で48入力、5〜12 V 出力の非絶縁型コンバータを実現できます。同期バック（降圧型）・コンバータとして構成されたGaN開発基板EPC9 093は、主パワー段領域がわずか10 mm×9 mmであり、シリコンの同等品の面積の少なくとも１/2と小型で、電圧範囲5 V〜12 Vを出力することができます。
EPC2045などのeGaN FETを採用することで、高性能のコンピュータや通信のアプリケーションに適した最も小型で最も費用対効果が高く、最も高効率の48V入力、5～12V出力の非絶縁型コンバータを実現できます。同期整流型バック（降圧型）・コンバータとして構成されたDrGaNモジュールEPC9205は、48V入力、12 V 出力、10 A 負荷のときに 電力密度 1400 W /立方インチが得られ、5V～12Vの範囲の出力電圧を発生でき、出力電流14Aを供給できます。
EPC2111などのモノリシックのハーフブリッジeGaN® ICを使うことによって、高性能のコンピューティングや、暗号通信や通信のアプリケーションに適した最も小型で最も費用効果が高く、最も効率が高い12 V入力、1.0 V出力の非絶縁型POL（負荷点）コンバータを実現できます。同期整流型バック（降圧型）・コンバータとして構成されたEPC9204は、電力密度1000 W / 立方インチが得られ、12 Aを供給することができます。
Lidar
Lidar（光による検出と距離の測定）は、センサーからの光パルスを送信し、対称物の位置や距離を決定するために反射を測定するリモート・センシング技術です。GaNの極めて高い性能とチップスケール・パッケージの超低インダクタンスは、eGaN FETをパルス・レーザー・ドライバの理想的なスイッチにします。
モーター駆動
非常に高効率で小型なモーター駆動用途に対する需要がますます大きくなっているため、EPCは、掃除機用インバータの最大性能を実現するためのeGaN ICベースの基板EPC9176を設計しました。
非常に高効率で小型なモーター駆動用途に対する需要がますます 高まっているため、EPCは、電動自転車用インバータの最大性能を 実現するためのレファレンス・デザインを提供するために、eGaN IC ベースの基板EP C 917 3を設計しました。EP C 917 3は、6個の eGaN IC（EPC23101）に基づいています。このような基板は、最大 1.5 kWの動作が可能な3相インバータです；直流48 Vの電源で電力を 供給すると、ヒートシンクなしで１相当たり20 ARMSを供給できます。 ヒートシンクを使うと、１相当たり25 ARMSを連続的に提供でき、ピー ク電流は最大35 ARMS/sub>（時間間隔が30秒以下の場合）です。
高効率で小型なモーター駆動用途に対する需要がますます高まっているため、EPCはeGaN FETベースの基板EPC9167とEPC9167HCを設計して、電動自転車用インバータの最大性能を達成するためのリファレンス・デザインを提供しています。
非常に高効率で小型なモーター駆動用途に対する需要がますます高まっているため、EPCはeGaN FETベースの基板EPC9145を設計し、モーター駆動用インバータの分野で最大の性能を実現するためのリファレンス・デザインを提供します。
ブラシレスDC（BLDC）モーターは人気があり、ロボット、イーモビリティ、ドローンの用途で増えていることが分かります。このような用途には、軽量、小型、低トルク・リップル、精密制御などの特別な要求があります。これらの要求に対処するために、モーターに電力を供給するインバータは、より高い周波数で動作しなければなりませんが、結果として生じる大きな電力損失を減らすための高度な技術が必要になります。
AC/DC
EPCは最近、USB PD3.1規格に準拠するGaN FETベースのUSB電源であるEPC9171[1]を製品化しました。汎用入力と48 V出力で最大240 Wを供給し、120 VACRMSと230 VACRMSの両方の入力、および72℃の温度上昇（同期整流用FET周辺）で、ピーク効率92％が得られます。高電圧段には650 VのGaN FETを採用し、2次段は、チップ・サイズが合計で13.5 mm2のeGaN FET（EPC2218）のペアで構成されています。
クラウド・コンピューティング、ウエアラブル、機械学習、自動運転、あらゆるモノがネットにつながるIoTなどのアプリケーションの拡大が、データ集約型の世界に向かう強い追い風になり、データセンターと消費電力に対する需要が増加しています [1,2]。交流から直流へのスイッチング電源の効率、電力密度、コストの重要性は、eGaN FETが解決できる革新的なソリューションを推進しており、超高効率力率補正（PFC）フロントエンドの整流器ソリューションを生み出しています。このハウ・ツー・アプリケーション・ノートでは、ここに焦点を当てています。
設計
eGaN FETベースの電力変換システムは、Siベースの代替品よりも、高効率、高電力密度で、全体的なシステム・コストを削減できます。これらの優れた性能は、ゲート・ドライバ、コントローラ、および、eGaN FETの性能を引き出す受動部品などのパワー電子部品のますます拡張するエコシステム（生態系）の存在に拍車をかけています。
eGaN FETは、Si MOSFETよりもはるかに高速にスイッチングできるので、寄生インダクタンスを最小限に抑えるために、プリント回路基板のレイアウト設計に細心の注意を払う必要があります。寄生インダクタンスによって、オーバーシュートの電圧が大きくなり、スイッチングの遷移が遅くなります。このアプリケーション・ノートでは、これらの不要な影響を避け、コンバータの特性を最大限に引き出すために、eGaN FETを使った最適なパワー段のレイアウトを設計するための鍵となるステップについて検討します。
図1に示すLGA（ランド・グリッド・アレイ）やBGA（ボール・グリッド・アレイ）のパッケージなどに封止したEPCのウエハー・レベルのチップスケール・パッケージは、電力変換における新しいレベルの性能を実現可能にしています。これらの部品の多くは、400 μmまでの微細なピッチを使っています。
EPCの革新的なウエハー・レベルのLGA（Land Grid Array）およびBGA（Ball Grid Array）パッケージによって、電力変換の新しいレベルの性能が実現可能になりました。適切なアセンブリ技術は、GaN技術の能力をフルに活用するために不可欠です。これらのFETとICを自分の手で組み立てるためのガイドラインです。
eGaN FETとICは、小型、超高速スイッチング、低オン抵抗という特徴によって、非常に高電力密度のパワー・コンバータを設計できます。ほとんどの高電力密度コンバータの出力電力を制限している要因は接合部温度であり、より効果的な熱設計が求められます。eGaN のチップスケール・パッケージは、チップの上面、下面、および側面から効果的に熱を逃がして、6面冷却を実現できます。このアプリケーション・ノートでは、eGaN ベース・コンバータの出力電流能力を高めるための高性能の熱ソリューションを紹介します。
eGaN FETベースのコンバータの回路内の特性の進歩が、高性能な測定の要件を厳しくしています。この記事では、各アプリケーションにおいて、高性能eGaN FETを正確に評価するための技術的な能力とさまざまな測定手法とを比較します。