GaNの話

謝辞：このアプリケーション・ノートと関連ハードウエアは、米テキサス大学オースティン校のSemiconductor Power Electronics Center（SPEC）と共同で開発されました。

動機

クラウド・コンピューティング、ウエアラブル、機械学習、自動運転、すべてのモノがインターネットにつながるIoTなどのアプリケーションの拡大によって、データ集約型の世界へと私たちを駆り立て、データセンターと電力消費に対する需要が増大しています [1,2]。交流から直流へのスイッチング電源の効率、電力密度、コストの重要性は、eGaN FETが超高効率力率補正（PFC）のフロントエンド整流器ソリューションを可能にして解決できる革新的なソリューションを牽引し、これに焦点を当てたアプリケーション・ノートHow2AppNoteもあります。

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。

SEE耐性や耐放射線特性を強化し、パッケージ化されたエンハンスメント・モード窒化ガリウム（eGaN）・デバイスは、成熟した耐放射線シリコンMOSFETに比べて、性能が劇的に改善され、これまでにない高周波、高効率、高電力密度で動作する宇宙における新世代のパワー・コンバータを可能にします。

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。

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。

EPCの親愛なる友人、同僚、パートナ様

みなさま、および、ご家族のみなさま、EPCの全社員より、謹んで新春のお慶びを申し上げます！

2019年は、EPCのGaNの革新と、成果を上げたGaNの複数のユース・ケースで記憶に残る年でした。EPCの最新世代のGaN製品は、オン抵抗R_DS(on)が低く、効率が高く、熱特性が向上し、小型で低コストであるため、パワー段の優位性を強化することができました。現在、これまで以上に、パワー・システムの設計者は、シリコン・デバイスから高性能のGaN部品に切り替えています。

この記事は、2016年6月13日にJohn Glaser博士とDavid Reusch博士によって書かれ、米Power Systems Design誌のウエブ・サイトで公開されました。

シリコンの時代は、十分すぎるほど長過ぎます。若くてより適切な挑戦者が半導体材料の主役を引き継ぐ時です。

モーター技術の進歩によって、電力密度が高くなりました。モーターは、より小さな形状で実現され、より高速で高精度な設計になっているので、より高い周波数が必要になります。

3相ブラシレスDC（BLDC）モーターは、出力定格の割に小型なので、正確に制御でき、高い電気機械効率を提供し、適切に制御された場合、最小限の振動で動作できます。これらのモーターは、サーボ駆動、外科ロボットなどのロボット、回転翼を4基搭載したドローンなどの精密な用途で、ますます、または排他的に使われています。電流リップルを適切な範囲内に維持するために、これらのモーターは、低いインダクタンスを考慮すると、最大100 kHzのスイッチング周波数が必要です。損失を最小限に抑えた上で、振動を発生させ、駆動精度を低下させ、効率を低下させるモーターのトルク・リップルを相殺するには、高周波で高効率に動作できるFETが必須です。