GaNの話

この記事は元々、米EE Times誌に掲載されました。

パワーMOSFET市場は規模が大きく、確固たる地位を築いており、2027年までに約140億ドル規模に達すると予想されています。この市場は一般的に、40 V以下、40～200 V、600 V以上の3つの電圧範囲に分けられます。200 V以下の領域が市場全体の約75%を占めています。この領域には、AI（人口知能）サーバー、48 Vのパワー・コンバータ、ロボット、自律型機械など、Efficient Power Conversion（EPC）のターゲット用途の大部分が集中しており、GaN技術の採用にとって重要な戦場となっています。GaN技術は、高効率、高電力密度、システム設計の単純化に注力することで、現代の電力変換システムにおけるシリコンの実現可能な代替品として確固たる地位を築きつつあります。

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。

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。

このブログは、もともとData Center Frontier のウエブサイトに2018年11月5日にBill Kleyman氏によって公開されましたデータセンター向けのeGaN技術とEPCのGaNソリューションの詳細をご覧ください。

動機

eGaN^® FETは、Si MOSFETよりもはるかに高速にスイッチングできるので、寄生インダクタンスを最小限に抑えるために、プリント回路基板のレイアウト設計に細心の注意を払わなければなりません。寄生インダクタンスによって、オーバーシュート電圧が大きくなり、スイッチングの遷移が遅くなります。このアプリケーション・ノートでは、これらの不要な影響を避け、コンバータの特性を最大限に引き出すために、eGaN FETを使って最適なパワー段のレイアウトを設計するための鍵となるステップについて検討します。

スイッチング動作への寄生インダクタンスの影響

図1に示すように、3つの寄生インダクタンス、すなわち、1）パワー・ループのインダクタンス（Lloop）、2）ゲート・ループのインダクタンス（Lg）、3）共通ソースのインダクタンス（Ls）によって、スイッチング特性が制限されます。eGaN FETのチップスケール・パッケージは、トランジスタ内部のインダクタンスをかなり排除しているので、主な制限要因としてプリント回路基板が残ります。各寄生インダクタンスは、動的電流経路とその戻りループによって囲まれる領域全体にあります（WP009：特性への寄生容量の影響を参照）。

この記事は、もともとPowerPulse.netのウエブサイトで2017年5月26日に公開されました：8 VからPOL（負荷点）へのeGaN技術とEPCのGaNソリューションの詳細を知ることができます。

先週、ドイツのニュルンベルクで開催されたイベントPCIM Europeでは、主に展示フロアの外で、48 Vから1 Vへの直接電力変換アーキテクチャが大きなトピックでした。米バイコーは、最新世代の48 Vダイレクト・ツー・チップのパワー部品を静かに見せていました。スウェーデンのEricsson Power ModulesとEfficient Power Conversionは、48 Vから負荷への直接電力変換アーキテクチャの将来の設計が議論の焦点となる招待者専用の会議を実施しました。2017年末までに、48 Vから1 Vへの直接変換を実現するDC- DCコンバータを製品化するベンダーもあります。