GaNの話

The full article was originally published in EPDT

The history of power electronics has been a predictable cadence of material limits, architectural shifts, and a new semiconductor platform resetting expectations. Today that transition is happening again, this time with gallium nitride (GaN).

AI（人工知能）の急速な発展と、その成長を支えるために必要なデータセンターの普及は、データセンターの設計方法を根本的に変えつつあります。それは、演算密度や冷却要件だけでなく、電力供給の方法にも及んでいます。かつて数10キロワットだったラックは、今や数100キロワットに迫り、メガワット規模のAI演算クラスタも、もはや遠い目標ではありません。このような状況下で、交流415/480 Vの配電と低電圧DCバスに基づく従来のパワー・アーキテクチャは、ますます非効率的で、大型化し、拡張コストが高くなっています。

高電圧GaNを提供するルネサス エレクトロニクスとの提携は、EPCにとって、低電圧および中電圧のポートフォリオを拡大する機会となるでしょう。

窒化ガリウム（GaN）は、炭化ケイ素（SiC）と並ぶワイド・バンドギャップ半導体であり、次世代パワー・エレクトロニクスにおいて、シリコンの優れた代替品として台頭しています。著名なフランスの市場調査会社Yole Developpementは、GaNパワー市場がOEM（相手先ブランドによる生産）による普及、消費者の成熟、そして米NVIDIA（エヌビディア）が支援するAIデータセンター事業の拡大によって、2024年から2030年の間の年平均成長率42%で、2030年には30億米ドルになると予測しています。

米Power Electronic News誌
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Efficient Power Conversion（EPC）の共同創立者でCEO（最高経営責任者）のAlex Lidow（アレックス・リドウ）は、台湾MakerPROTW誌の特別編集委員のJudith Cheng氏とのインタビューで、現在量産中の第7世代窒化ガリウム（GaN）技術と、従来はシリコンMOSFETが主流だった低電圧用途への影響について説明しました。40 V出力のEPC2366などのデバイスがすでに量産されていることによって、EPCは、GaNを40 V以下の主流の用途の選択肢として位置付けています ―― この市場は、GaNが最初に普及した100 V分野よりも大きい市場です。

Michael A. de RooijとAlejandro .P. Pozo

モナコで開催された独Bodo’s Power SystemsのWide Band Gap Forumにおいて、EPCの共同創立者でCEO（最高経営責任者）のAlex Lidow（アレックス・リドウ）は、GaNに関する議論の方向性を決定づけ、パワー半導体における50年の経験に基づいて、窒化ガリウム（GaN）の大きな利点を強調しました。米テキサス・インスツルメンツ、米Navitas Semiconductor、独インフィニオン・テクノロジーズ、東芝、独フォルクスワーゲン、三菱電機の専門家らと共に講演し、AI（人工知能）データセンターや人型ロボットから自動運転車やLidar（光による検出と距離の測定）に至るまで、低電圧・高周波システムにとってGaNが優れた選択肢であると位置付けました。高電圧分野ではSiCが依然として主流ですが、GaNがすでに負荷点（POL：Point-of-Load）電源をはじめとするさまざまな分野を変革しつつある費用対効果の高い技術であると強調しました。

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。.

新たに出現したコンピューティング・アプリケーションは、はるかに小型でより多くの電力を必要とします。サーバー市場のニーズの拡大に加えて、最も困難なアプリケーションには、マルチユーザー・ゲーム・システム、自動運転車、人工知能などがあります。これらの用途は、プロセッサに近接したマザー・ボード上に詰め込めるDC−DCコンバータに対する需要を生み出しています。

コンピュータや電気通信の市場の急速な拡大によって、中間バス・コンバータ向けに、これまで以上に小型、高効率、高電力密度のソリューションが求められています。LLC共振コンバータは、高電力密度と高効率のソリューションを提供するための優れた候補です。非常に小さい低オン抵抗と寄生容量を備えたeGaN® FETsは、Si MOSFETを使うときに困難だった大幅な損失低減によってLLC共振コンバータに貢献します。EPC2053やEPC2024などのeGaN FETを採用した48 V入力、12 V出力の900 W、1 MHz動作の LLC DC-DCトランス（DCX）・コンバータがデモされ、電力密度1500 W / 立方インチ以上でピーク効率98.4％が得られています。

Gallium nitride (GaN) is a better semiconductor than silicon. There are many crystals that are better than silicon, but the problem has always been that they are far too expensive to be used in every application where silicon is used. But, GaN can be grown as an inexpensive thin layer on top of a standard silicon wafer enabling devices that are faster, smaller, more efficient, and less costly than their aging silicon counterparts.