GaNの話

窒化ガリウム（GaN）は、効率を高め、システムのサイズと重さを大幅に削減し、シリコンでは達成できなかったまったく新しいアプリケーションを可能にする技術として登場しました。では、なぜGaNについて多くの神話がいまだに広まっているのでしょうか、事実は何でしょうか？

GaNに関する非常に多くの誤った情報が残っている理由の1つは、既存のシリコン技術のサプライヤが、潜在的なGaNユーザーを思いとどまらせるために、信頼性の問題、設計上の課題、高い価格、信頼性の低いサプライ・チェーンなどの噂を含む脅迫戦術を使っていることです。

これらの攻撃にもかかわらず、GaNは、Lidar（光による検出と距離の測定）などのアプリケーションを可能にするだけでなく、データセンターや車載用電子機器など、以前はシリコンMOSFETが支配的な地位を占めていた従来のアプリケーションにも受け入れられ続けています。この記事では、GaNに関する最も一般的な神話を暴き、GaN FETとGaN ICが電力変換で置換のサイクルをどのように生み出しているかを示します。

環境への圧力によって、より新しく、よりクリーンで高効率な輸送オプションを迅速に採用したいという圧力がかかっています。2025年には、販売される自動車の10台に1台が、より燃費効率の高い48 Vのマイルドハイブリッドになると予想されています。これらのシステムには、電力範囲が1.5 kW～6 kWの48 Vと12 Vの間の双方向コンバータが必要になるでしょう。これらのシステムの設計上の優先事項は、サイズ、コスト、高い信頼性です。GaN電力変換ソリューションは、これらの新しいモデルで使われる48 Vと12 Vの間の双方向コンバータをサポートするために最適です。

48 Vは、コンピューティングのデータセンターや、ラップトップ・パソコンなどの民生用電子機器の新しい標準としての採用が広がっています。新しいUSB PD3.1規格は、コネクタとケーブルの電流制限が5 Aの場合、USB電圧が48 Vに高まることで、全電力供給が最大240 Wに大きくなったことも一因となって、ラップトップ・パソコンに浸透しています。 新しいUSB PD規格を使う互換性のある電源は、高電力密度の必要性を後押しする小型形状のソリューションを実現するというプレッシャの増大に直面していますGaN FETの高速スイッチング速度と低オン抵抗RDSonは、電源を構成する複数の回路で、この課題に対処できます。

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。

EPCのGaNのパワーFETやICなどの「置換」技術が製品化され、新しいレベルの性能が可能になるとき、あなたの設計をモデル化することで、回路の機能とニーズに対する快適さと洞察が得られます。このブログでは、「EPCのGaNパワー・ベンチ、オンライン・モデリング・ツールのライブラリ、EPCのGaN FETサーマル・カリキュレータ」といった最新の追加機能について説明します。

窒化ガリウム（GaN）パワー・デバイスは、成熟したシリコン・ベースのMOSFETとICに対するより高効率な代替品です。一言で言えば、GaNデバイスは小型で、スイッチングが速く、オン抵抗が小さいので、シリコンの同等品よりも高効率にできます。より高い効率とより低い損失であっても、すべての電子機器は、熱としていくらかの電力を放散します。EPCのGaN FETサーマル・カリキュレータは、あなたの設計がGaNパワー回路の特性の最高の値を実現し、レイアウトに取り組む前に、設計上の課題を軽減することに役立ちます。

EPCがApplied Power Electronics Conference (APEC)のために米国ヒューストンに向かう準備は順調に進んでいます。このチームは、GaNの優れた性能が、コンピューティング、通信、イーモビリティなどの多くの業界にわたって、電力供給をどのように変革しているかを示すさまざまなデモを直接展示して、帰ってくることを楽しみにしています。

モビリティは、すべての経済において推進要因ですエレクトロモビリティ（またはイーモビリティ）は、地球にダメージを与える非効率的なモーターや化石燃料燃焼エンジンのように環境ストレスに影響することなく、商業用ギアを磨き続けるためのクリーンでインパクトのある方法です。高効率で小型なモーター駆動の設計に対する需要は、ますます高まっています。このトレンドをサポートする競争力のある環境に優しい代替案を迅速に開始するために、イーモビリティ用途向けのEPCのGaNベースのモーター駆動用リファレンス・デザイン

48 V/12 Vの自動車用評価パワー・モジュール（EPC9137、EPC9163、EPC9165など）は、2相同期バック（降圧型）／ブースト（昇圧型）の回路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、1枚のコントローラと、並列接続した2枚のモジュールを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、定格電流と定格電力を2倍にできます。EPC9137モジュールの使用例が図1です。

このGaNの話のブログではモーター駆動回路の設計に、シリコン・ベースのインバータの代わりにGaNベースのインバータを使うと、大きさと重さを削減できると同時に、スムーズに動作させられることの利点について説明しています。これらの利点は、倉庫や物流のロボット、サーボ駆動、電動自転車や電動キックボード、協調型で低電圧のロボットや医療用ロボット、産業用ドローン、自動車用モーターなど、一般的なアプリケーションで使われるモーター駆動回路にとって重要です。

英調査会社Omdiaは、倉庫や物流のロボットの世界的な出荷台数は、2018年の年間19万4000台から、2022年には93万8000台へと、今後5年間で急速に増加すると予測しています。2021年までに、多くの主要プレーヤがロボット・システムを採用するため、その後の成長率は鈍化します。この分野の世界的な売り上げは、2018年の83億米ドルから、2022年には308億ドルに増加し、既存のプレーヤと新興プレーヤに大きな機会を提供します。

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。