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GaN電力変換向けに拡張するエコシステム

GaN電力変換向けに拡張するエコシステム

3 21, 2018

電力変換の周波数を高めることには多くの理由があります。基本的に、これらの理由は、大きさ/重さの削減、およびコスト削減に帰着します。スイッチング周波数を高めるという目標に加えて、高効率に動作しなければならない電源システムには、いくつかの部品があります。これらには、パワー・スイッチ、パワー・スイッチのドライバ、コントローラ、磁気部品、およびコンデンサなどがあります。総称して、これらの部品は、高周波の電力変換エコシステム(全体の特性をどのように高めていくかの生態系)を表します。これらの要素のどれかがなければ、周波数を高める利点は、完全には実現できません。

各種の部品開発の進捗状況を見てみましょう:

パワー・スイッチ: シリコンに比べて1000倍以上も効率的に電子を導通するGaNの能力に加えて、シリコンよりも低コストで製造することができる技術が現在、十分に確立されています。しかし、eGaN®技術の優れたスイッチング特性(場合によっては10 MHz以上)だけでは、システム全体のコストを下げることはできません。

EPC9204 Development Board

ゲート・ドライバ: 高周波の電力制御のために、ゲート・ドライバには、高いdv / dt能力、高速の立ち上り時間と降下時間、伝播遅延のマッチング、および短いデッドタイムが要求されます。

  • 米テキサス・インスツルメンツは数年前に、100 Vのハーフブリッジ・ドライバLM5113、およびシングルのゲート・ドライバLM5114とUCC27611を製品化しました。テキサス・Texas Instruments LMG1020インスツルメンツは最近、高周波特性を向上させる3つの新しいゲート・ドライバを発表しました。LMG1205は100 Vで、LM5113とピン互換です。この新しいゲート・ドライバは、伝播遅延時間35 ns、伝搬遅延時間のマッチングが1.5 nsで周波数能力を向上させています。最近製品化されたLMG1020も、最小パルス幅1 nsの能力を備え、60 MHzと非常に高速なシングルのドライバで、LMG1210は、伝搬遅延時間1.5 nsの200 Vのハーフブリッジ・ドライバです。これらの2つの部品は、マッチングしたデッドタイムの調整可能な制御を備え、ハイサイドからローサイドへの容量は1 pFです。
  • 米UPI Semiconductorは今月、テキサス・インスツルメンツのLM5113やLMG1205とピン互換のハーフブリッジ・ドライバuP1966Aを製品化しました。uP1966Aは、大電流設計向けで、0.7Ωのプルアップ抵抗と0.4Ωのプルダウン抵抗を備えています。UPI Semiconductorは最近、伝搬遅延時間が短く、立ち上がり時間と降下時間が速いシングルのゲート・ドライバuP1964を発表しました。このドライバuP1966Aは、EPC9205のデモで使っています。
  • pSemi PE29102村田製作所傘下の米pSemi(旧Peregrine Semiconductor)は今年、調整可能なデッドタイムと共にサブナノ秒の立ち上がり時間と降下時間を備えるハーフブリッジ・ドライバPE29102を製品化しました。PE29102は、EPC9204のデモで使われています。
  • 米シリコン・ラボラトリーズには高耐圧設計用のデジタル・アイソレータがあります。このSi8610BC は、50 V / nsの能力を備え、パルス幅の歪みは1.5 nsです。

磁気部品: 金属合金材料の進歩によって、近年、磁気コアの周波数特性も向上しています。大きな磁束密度での低いコア損失は、磁気部品のサイズ縮小の鍵です。

Vishay IHLP1616ABERR10M01
  • 米ビシェイ・インターテクノロジーは、IPLPシリーズのインダクタで大きな進歩を遂げました。IHLP1616ABERR10M01は、大きさが4.06 mm×4.06 mm×1.2 mmで、15 A、10 MHzのPOLであるEPC9204のデモで使われています。IHLP4040DZER2R2M01は、10 A、1 MHz の中間バス・コンバータEPC9205のデモで使われ、大きさは10.16 mm×10.80 mm×4.0 mmです。
  • 村田製作所も、東光のTB-P材を用いた金属合金のコアで大きな進歩を遂げました。

コントローラ:約1 MHzまでの周波数では、デジタル・コントローラは、PWM(パルス幅変調)の複数のフェーズを制御できるだけでなく、デッドタイム、過電流、過熱保護などの重要なパラメータをプログラムすることができるため、電力制御に対する優れたソリューションです。コントローラの最近の進歩によって、静止電流が減少しました。EPC9204で使われるような超高周波数では、アナログ・コントローラは、依然として高周波の改善にも対応しています。

  • テキサス・インスツルメンツには、TPSシリーズおよびTMSシリーズのデジタル・コントローラがあり、米マイクロチップにはdsPIC33シリーズのコントローラがあります。48 V入力、12 V出力、60 Aの安定化された5相の中間バス・コンバータEPC9130には、DSPIC33EPXXGS504を使っています。
  • 米オン・セミコンダクターには、超高周波制御向けの3相コントローラNCP81111-D があります。
  • 米アナログ・デバイセズもLTC7800LTC7801,などのいくつかのコントローラ/ドライバを製品化し、より高い周波数向けにデッドタイムを短くしています。

コンデンサ:高周波能力が高いセラミック・コンデンサは、かなり長い間、使われてきました。超高周波能力向けには、低ESL(等価直列インダクタンス)のコンデンサが良いでしょう。

EPC2112 Integrated Gate Driver eGaN IC高周波の電力変換は、電力変換システムのサイズと重さが削減されるので、全体的なコストも削減できます。GaNトランジスタは2010年から市販され、2014年には集積回路が登場しています。GaNデバイスの実装をサポートする補完的な部品のエコシステムは、GaNに最適化されたゲート・ドライバ、磁気部品、コントローラ、コンデンサの製品化によって拡大しています。これらのサポート部品によって、電力システム設計者がGaNの高周波、小さい面積、優れた効率、低コストを最大限に活用することができるので、GaNベースの電力ソリューションの採用が可能になり、これが加速されています。

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