Steve Colinoと共著

パワー・エレクトロニクスの技術者は常に、高い信頼性を維持し、コストを最小限に抑えながら、より高い効率とより高い電力密度が得られる設計に取り組んでいます。設計技術の進歩と部品技術の向上によって、技術者は、これらの目標を終始一貫して達成することができます。パワー半導体は、これらの設計の中核であり、それらの改善は、より良い性能に不可欠です。このEPCの宇宙のブログでは、GaNパワー半導体が宇宙用途の過酷な放射線環境での革新を可能にする方法を示します。

普通のことを再考し、心理的バイアスを克服する

モーター駆動の用途は、産業、家電製品、自動車など、いくつかの市場に広がっています。市場に関係なく生じる共通点は、新しい技術が提案されると、その採用に対する抵抗感に直面することです。結局、知られていることに固執し、変化に抵抗することは、人間の本性です。

ブラシレスDC（BLDC）モーターは人気があり、ロボット、イーモビリティ、ドローンの用途で広がっていることが分かります。このような用途には、軽量、小型、低トルク・リップル、低可聴雑音、非常に精密な制御などの特別な要求があります。これらのニーズに対応するために、モーターに電力を供給するインバータは、より高い周波数で動作する必要がありますが、結果として生じる大きな電力損失を減らすための高度な技術が必要です。エンハンスメント・モード窒化ガリウム（eGaN ®）のトランジスタと集積回路は、大きな損失を生じることなく、はるかに高い周波数で動作する能力があります。

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。

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。