米Sensitron Semiconductorの新規ビジネス開発部門ディレクタRichard Locarniと、EPCのフィールド・アプリケーション・エンジニアBrian Millerによる投稿。

多くの電力システムで使われる基本的なビルディング・ブロックは、直列の2個のパワーFETとそれぞれのゲート・ドライバで構成されるハーフブリッジです。ディスクリートFETとゲート・ドライバを使って基板上でこの機能を実現できますが、多くの場合、ハーフブリッジ・モジュールを使う方が有利です。ハーフブリッジ・モジュールを使うと、事前に認定された単一部品の使用、リードタイムの短縮、高性能化など、多くの利点があります。米Sensitron Semiconductor（sensitron.com）は 、50年以上にわたるパワー・モジュールのサプライヤであり、最新の製品はEPCのeGaN FETを使っているため、さらに魅力的です。SensitronはEfficient Power Conversionと協力して、最近製品化したGaN FETのEPC2050を使って350 Vのハーフブリッジ・モジュールを開発しました。商用、産業用、および航空宇宙のアプリケーション向けに設計されたハーフブリッジのインテリジェント・パワー・モジュールSPG025N035P1Bは、定格20 Aで、5 kW以上の制御に使えます。図1は、SiやSiCからGaNへのアップグレードによって達成されたパッケージ・サイズの大幅な小型化です。

48 Vは、AI（人工知能）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支配的であるため、12 Vから48 Vへの高電力密度のブースト（昇圧型）・コンバータが必要です。eGaN^® FETの高速スイッチングと低オン抵抗R_DS(on) は、この課題に対処することに役立ちます。このブログでは、ルネサス エレクトロニクスのeGaN FET互換コントローラIC のISL81807によって直接駆動されるeGaN FETを使った12 V入力、48 V、500 W出力のDC-DCパワー・モジュールの設計をシンプルで低コストの同期ブースト構成の中で評価します。.

ノート・パソコンやパソコンのモニターなどの最新のディスプレイには通常、低電力ブースト（昇圧型）・コンバータが必要です。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、このコンバータは、ほとんどの場合、軽負荷で動作するため、軽負荷の効率が非常に重要です。eGaN FETの低いスイッチング損失は、この課題に対処することに貢献します。このGaNの話のブログは、シンプルで低コストの同期ブースト構成で、eGaN FETを使って温度上昇が小さい12 V入力、60 V、50 W出力の DC-DCパワー・モジュールの設計について検討します。

EPCの開発基板は、一般的なアプリケーションにおいて、eGaN^® FETとICを評価する機会を提供します。例えば、ハーフブリッジ開発基板のEPC9094は、バック（降圧型）・コンバータまたはブースト（昇圧型）・コンバータとして構成できます。EPC9094は、新しく製品化された面積1.3×1.3 mm、2×2ピンのWLCSP（ウエハー・レベルのチップスケール・パッケージ）に収めた耐圧200 V、最大オン抵抗43 mΩのeGaN FETであるEPC2054を搭載しています。この非常に小さいFETの非常に低いオン抵抗R_DS(on) 値によって、高電圧電源からの大電流負荷をサポートできます。この能力を実証するために、開発基板のEPC9094をバック・コンバータに変更します。140 V電源を使ったSpiceシミュレーションでは、2.5 A、28 V出力で90％の高効率が得られることを示しています。米ビシェイ・インターテクノロジーの33 µH、4.4 A、最大95 mΩ、10.2×10.8×4 mmのコイルIHLP-4040DZET330M11を選択すると、500 kHzでリップルは40％になるでしょう。出力コンデンサは、4個の10 µFのセラミック・コンデンサY5V 50V 1210で構成しました。このシミュレーションでは、スイッチング周波数を500 kHzと375 kHzの間で変えた場合、リップル電流と全体的な効率のトレードオフが示されました。このシミュレーションは、デッドタイムを調整して、ハイ・レベルからロー・レベルへの完全なZVS（ゼロ電圧スイッチング）遷移を可能にすることで、バック・コンバータの軽負荷時の効率が最大化されることを示しました。