GaNの話

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。

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、もともとM. Di Paolo Emilio氏が米Power Electronic Newsのウエブ・サイトに公開したものです。

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。

eGaN® FETとICは、小型、超高速スイッチング、低オン抵抗という特徴によって、非常に高電力密度のパワー・コンバータを設計できます。ほとんどの高電力密度コンバータの出力電力を制限している要因は接合部温度であり、より効果的な熱設計が求められます。eGaN のチップスケール・パッケージは、チップの上面、下面、および側面から効果的に熱を逃がし、6面冷却を実現できます。このアプリケーション・ノートでは、eGaN ベース・コンバータの出力電流能力を高めるための高性能の熱ソリューションを紹介します。

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）。

クラウド・コンピューティングやビッグデータ処理への需要が劇的に増加していることから、米国のデータセンターの電力消費量は、2020年までに730億kWhに達すると予測されています [1]。これは、米国全体の電力消費量の約10％を占めます。この消費の大部分は、非効率な電力供給アーキテクチャによる損失によって引き起こされ、改善のために大きな注意を払わなければなりません [2],[3]。