GaNの話

At PCIM, Mike Engelhardt, creator of LTspice and QSPICE, explains why traditional SPICE—originally built for IC design—struggles with accurately simulating power devices, especially GaN FETs. He reviews historical capacitance models (Meyer, Yang–Chatterjee), their limitations for VDMOS and GaN, and describes how QSPICE introduces a native GaN MOSFET model (level 2026) with accurate charge, output capacitance, and quasi-saturation behavior. Engelhardt details numerical improvements, proper handling of transcapacitances, and performance gains that make QSPICE a faster, more robust power electronics simulator.

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。

オン抵抗RDS(ON)は、電圧と共に、Si MOSFETやGaN FETを評価するために一般的に使われる普遍的なパラメータです。RDS(ON)は、特定の技術プラットフォーム内のデバイスのサイズ、つまり、そのコストを示す優れた指標です。ただし、ほとんどのスイッチング・パワー・コンバータでは、損失は、導通損失とスイッチング損失の組み合わせです。したがって、RDS(ON)は、異なる技術プラットフォーム間、または同じ技術プラットフォーム内であっても、信頼できる性能の指標ではありません。これは、設計者がSi MOSFETからGaN FETに移行する場合に特に当てはまります。

従来、オーディオ・ファンは、D級オーディオ・アンプを見下してきました。スイッチング・トランジスタが、最も厳しいファンを満足させるために、十分な開ループ直線性を備えたアンプを構成するために最適化された性能を備えていなかったからです。窒化ガリウムのトランジスタと集積回路の急速な採用によって、設計者は、仕様によるマーケティングに必要なTHD＋N（全高調波歪率＋雑音）の性能目標を達成し、過渡相互変調歪みを低減して、最適なリスニング体験を目的とした音楽の温かみのある繊細さと音色を実現できるようになりました。

去る2015年に、米オンライン・ニュースは、シリコンから引き継いだ窒化ガリウム・チップに関する記事を公開しました。その記事で私は、GaN FETはシリコンよりも高性能で、かつ低コストなので、窒化ガリウム・ベースのパワー半導体の広範な採用が可能であると主張しました。それでも、GaNがまだ、そのマイルストーンに到達していないという誤解が広まっています・・・これは誤った神話です。このブログで、この議論は定格400 V未満のデバイスに限定されているという注意と共に、この神話を払拭しようと試みます。これは、EPCのFETとIC製品のアプリケーションの焦点だからです。

GaNの話のブログのゲスト：Pavel Gurev、ロシアのSinftech Rus LLC

普通のことを再考し、心理的バイアスを克服する

モーター駆動の用途は、産業、家電製品、自動車など、いくつかの市場に広がっています。市場に関係なく生じる共通点は、新しい技術が提案されると、その採用に対する抵抗感に直面することです。結局、知られていることに固執し、変化に抵抗することは、人間の本性です。

Efficient Power Conversion（EPC）は、定格100 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広げています。新しい第5世代「プラス」デバイスは、以前の第5世代製品と比べて、オン抵抗RDS(on)が約20％小さく、直流定格が高くなっています。この性能向上は、厚い金属層の追加と、はんだボールから、はんだバーへの変更によるものです。

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。