GaNの話

窒化ガリウム（GaN）のパワー・デバイスの近年の進歩によって、その動作範囲は40 V以下の低電圧用途にも大きく広がっています。シリコンMOSFETは、その優れた導通性能、十分に理解された製造プロセス、実証済みの信頼性によって、これまで、この電圧範囲で支配的となっていました。

持続可能なエネルギーは、今日の世界において極めて重要なニーズです。発展途上国は、産業を支え、遠隔地の村に電力を供給するためのエネルギー・インフラの構築に苦労しています。同時に、工業化された国・地域は、環境への影響を減らしながら、より多くの電力を求めるという相反する要求のバランスを取ることに力を注いでいます。窒化ガリウム（GaN） ICは、電力密度を高め、効率を改善し、新しいアプリケーションを可能にするパワー・デバイスを設計者に提供します。世界的にエネルギー・コストが上昇しているため、GaNデバイスの採用率が劇的に加速していることは、驚くことではありません。

最近まで、オーディオ・アンプで高品質のサウンドを実現するには、数1000米ドルの費用がかかり、大きくて重く、電力を大量に消費するA級アンプに依存していました。今、窒化ガリウムのFETとICの出現によって、高品質で低コストのD級オーディオ・アンプの時代が到来しています。

GaNベースのソリューションをデジタル制御や高性能磁気部品と組み合わせることで、超薄型ノート・パソコンやハイエンド・ゲーム・システムなどの高密度コンピューティングのアプリケーションの効率を高め、サイズを縮小し、システム・コストを削減できます。

ブリックDC-DCコンバータは、データセンター、電気通信、自動車のアプリケーションで広く使われており、公称48 Vのバスを公称12 Vのバス（または12 Vから48 V）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、レイアウトが簡素化され、面積が最小化され、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した。

このアプリケーション・ノートでは、最大出力電力300 W、ピーク効率95％で、48 Vから12 Vへの変換用途向けに集積化したGaNパワー段を使ったデジタル制御の双方向1/16ブリック・コンバータの設計について説明します。

1/16ブリック・コンバータの面積の規格は33×22.9 mm（1.3×0.9インチ）です。この設計の高さ制限は10 mm（0.4インチ）に設定されています。

謝辞：このアプリケーション・ノートと関連ハードウエアは、米テキサス大学オースティン校のSemiconductor Power Electronics Center（SPEC）と共同で開発されました。

動機

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、すべてのモノがインターネットにつながるIoTなどのアプリケーションの拡大によって、データ集約型の世界へと私たちを駆り立て、データセンターと電力消費に対する需要が増大しています [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が超高効率力率補正（PFC）のフロントエンド整流器ソリューションを可能にして解決できる革新的なソリューションを牽引し、これに焦点を当てたアプリケーション・ノートHow2AppNoteもあります。

Efficient Power Conversion（EPC）は、定格200 Vの成熟したシリコン・パワーMOSFETとeGaN®トランジスタの間の性能の差を2倍にしています。新しい第5世代デバイスのサイズは、前世代の約半分です。この性能向上は、図1に示すように、2つの主な設計上の違いによります。左側は、第4世代の200 Vのエンハンスメント・モードGaNオン・シリコンの構造の断面図です。右側の断面図は、第5世代の構造で、ゲート電極とソース電極との間の距離を短くし、厚い金属層が追加されています。これらの改善に加えて、示されていない他の多くの改善によって、新世代FETの性能は2倍になりました。

GaN FETは、Si MOSFETに比べて非常に高速にスイッチングできるため、多くのシステム設計者は、スイッチング速度の高速化がEMI（電磁干渉雑音にどのように影響するかを気にします。

このブログでは、eGaN^® FETを使ってスイッチング・コンバータ・システムを設計するときに考慮すべき簡単な軽減手法について説明し、スイッチング速度が高速であるにもかかわらず、GaN FETがMOSFETsよりもEMI雑音の発生が小さい理由を示します。

GaN技術は、性能とコストの改善だけでなく、電力変換市場に影響を与える最も重要な機会は、同じ基板上に複数のデバイスを集積する本質的な能力にあります。標準的なシリコンIC技術とは対照的に、GaN技術を使うと、モノリシックのパワー・システムを、より簡単でコスト効率の高い方法でワン・チップに集積できます。

この記事は、2016年6月13日にJohn Glaser博士とDavid Reusch博士によって書かれ、米Power Systems Design誌のウエブ・サイトで公開されました。