GaNパワーICで持続可能な未来への道
GaNの話 – Renee Yawger
1 28, 2023
持続可能なエネルギーは、今日の世界において極めて重要なニーズです。発展途上国は、産業を支え、遠隔地の村に電力を供給するためのエネルギー・インフラの構築に苦労しています。同時に、工業化された国・地域は、環境への影響を減らしながら、より多くの電力を求めるという相反する要求のバランスを取ることに力を注いでいます。窒化ガリウム（GaN） ICは、電力密度を高め、効率を改善し、新しいアプリケーションを可能にするパワー・デバイスを設計者に提供します。世界的にエネルギー・コストが上昇しているため、GaNデバイスの採用率が劇的に加速していることは、驚くことではありません。
なぜGaN？
窒化ガリウムは、ワイド・バンドギャップ材料です。つまり、GaNは、シリコンよりも、はるかに高い電界強度をサポートできます。与えられた電圧に対して、GaN構造の両末端は、非常に近づけることができます。これは、GaNの電子がシリコンよりも1000倍以上、高効率に放出され、意図した効果を生み出すために、シリコン電子の1/10の距離だけしか移動しなくてもよいことを意味します。この結果、GaNパワーICを使った回路は、はるかに小さな面積で、シリコンよりもはるかに高い効率を提供できます。GaNの効率は、パワーの設計のより優れた熱管理（熱＝浪費：浪費が少ない＝熱が少ない）にもつながります。 GaNの詳細については、以下をご覧ください。
持続可能なエネルギーが重要な理由
エネルギーの85%が化石燃料の燃焼によるものであることを理解することが不可欠です[1]。化石燃料は、輸送用のガソリンの形で消費されますが、プラスチックや石炭向け潤滑剤、時には暖房用、時には鉄鋼の生産でも消費されます。化石燃料の供給には限りがあり、その使用による環境への影響がますます認識されているため、風力や太陽光などの代替エネルギー源を採用するだけでなく、エネルギーをより効率的に使用する方法を見つけることが重要になっています。
GaNパワーICで、より持続可能な未来を
発電、送電、蓄積、変換、消費、汚染除去のコストなど、エネルギーに関連する複数のコストがかかります。これらの各コストは、エネルギーの種類とその使用方法によって異なります。GaNパワーICは、これらのコスト要素のいくつかを軽減することができます。
高速化、製造コストの削減、小型化、抵抗の低減は、電力利用の改善と回路構成の変更に寄与し、大幅な節約につながります。ユーザーは、GaNを使うことで、電源で使われるエネルギーの約30%、高効率なソーラー・パネルで生成されるエネルギーの約20%、あなたの冷蔵庫、エアコン、電車、産業用オートメーションで使われる数10億個のモーターで使われるエネルギーの約10%を節約できることを実証しています。これら3つのアプリケーションによって、年間の総電力使用量の約8%を節約できます。
運輸は、数量の多いアプリケーションを化石燃料への依存から電力に変換する最も明らかな事例です。世界のエネルギー消費の26.6%は運輸によるものです[2]。運輸は、年間2万6750 TWhを消費し、その70%が道路車両であり、これらの道路車両の1%以下が電気自動車です[3]。
バッテリー駆動の電気自動車は、内燃エンジンのエネルギーの約1/3で済みます。すべての自動車が電気に変換された場合、年間約1万2000 TWhが節約されます。さらに、これらのシステムにおけるシリコンに対するGaNの利点は、約10%～15%であり、これは年間100～1800 TWhのエネルギーの節約に相当します。
GaN対シリコンの持続可能性
GaNは、既存のシリコン技術と比べて、持続可能性の目標に大きな影響を与えるチャンスを提供します。第1に、シリコンに比べて製造プロセスが、より簡単で、エネルギー消費が少なく、低コストです。
エピタキシャル工程の重要な要素であるGaNは、広く使われている入手可能な鉱物であるアルミニウム生産の副産物です。ウエハー処理は、既存のシリコン施設で実施されますが、シリコン生産に比べて、工程数が少なく、工場のエネルギーが少なくて済みます。GaNデバイスは、同じ電圧とオン抵抗の同等のシリコン・デバイスよりも非常に小さいため、同じサイズのウエハーで、より多くのチップを作れます。
>GaN FETとICのより高速なスイッチング速度と改善された性能によって、システム設計者は、電力密度を改善して、シリコン・ベースの設計よりもエネルギー消費の少ない、より小型・軽量なソリューションを実現できます。より高い周波数での動作によって、使用する受動部品の数を減らし、小型化できます。加えて、GaNソリューションの熱特性の向上によって、ヒートシンクやその他のエネルギーを大量に消費する大きな機械部品が不要になります。
これらの利点によって、効率を改善し、新しいアプリケーションを可能にするためにGaNを採用する市場がますます多様化しています。
GaNパワーICの準備はできていますか？ 次のステップへ
GaNベースのソリューションは、持続可能性に大きな影響を与えるチャンスを提供します；製造コストが低く、より小型・軽量な高効率ソリューションを可能にし、システムの全体的な部品点数とコストを削減します。ペースの速いパワー・エレクトロニクスの世界では、競争上の優位性が重要な成功要因です。設計技術者は、新しい半導体ソリューションとGaNなどの新しい材料を利用して、設計を差異化し、競争相手を飛び越える強力な手法を得ることができます。技術者は、GaN設計によって、豊富な機能、魅力的な回路性能、エネルギー効率と持続可能性に影響を与えるソリューションを提供し、測定可能で有意義な方法で世界を変えることができます。
GaN技術が持続可能な未来への道をどのように提供できるかについて詳しく知るか、または、GaN のエキスパートと直接話してください。
参考文献：
[1] https://jennsolar.com/education/renewable-energy
[2] https://www.eia.gov/outlooks/aeo/data/browser/
[3] https://www.nytimes.com/interactive/2021/03/10/climate/electric-vehicle-fleet-turnover.html