GaNスイッチング周波数：次世代高周波回路における窒化ガリウム技術の利用
GaNの話 – Renee Yawger
5 10, 2023
窒化ガリウム（GaN）は、パワー・デバイスの生産に加え、RF部品や発光ダイオード（LED）の生産にも使われる非常に硬く、機械的に安定したワイド・バンドギャップ半導体です。GaNのスイッチング周波数は、シリコンよりも大幅に高いので、パワー・エレクトロニクスの設計者は、シリコン技術で達成するためにこれまで挑戦していた、より小型、より高効率、より高性能なシステムを構成できるようになりました。
GaNのスイッチング周波数を、シリコンのスイッチング周波数と比較する方法
GaNデバイスは、キャリアの移動度が高い、オン抵抗が低い、寄生容量が小さいなどの優れた材料特性によって、シリコンよりも高い周波数で動作できます。これらの属性によって、GaNデバイスは、シリコン・デバイスよりも最大100倍高速で、より高効率にスイッチングできます。
シリコン・デバイスは通常、スイッチング周波数が最大でも数100 kHz程度が限界ですが、GaNデバイスは、数MHzまたは数10 MHzのスイッチング周波数で動作できます。
GaNデバイスの高いスイッチング周波数は、パワー・エレクトロニクスやオーディオ・アンプなどのアプリケーションで特に有利です。パワー・エレクトロニクスでは、高いスイッチング周波数によって、回路で使われる部品のサイズと重さを削減し、効率も向上させることができます。オーディオ・アンプでは、高いスイッチング周波数が歪みと雑音を減らし、オーディオの音質を高めることができます。
高周波回路の用途に対するGaNの利点
GaNのスイッチング周波数の高速化は特に、高効率と高性能を要求する高周波用途に貢献します。GaNの速いスイッチング速度は、スイッチング損失が低減するので、効率が向上し、熱の発生を減少させることができます。より高い周波数は、コンデンサやコイルなどの受動部品を選択するときに、より小さくて軽い部品を使うことができるので、より小型で高電力密度の設計が可能になります。
GaNのスイッチング周波数を高くしたアプリケーションの中には、シリコン・デバイスよりも大きな利点を提供する用途があります：
パワー・エレクトロニクス：
DC-DCコンバータ、AC-DCコンバータ、ワイヤレス・パワーなどのパワー・エレクトロニクスの用途では、GaNの高いスイッチング周波数は、回路で使う部品のサイズと重さを削減できると同時に、効率を向上させることに役立ちます。モーター駆動：
ロボット、ドローン、自動車、産業機械に使われるモーター駆動の用途では、スイッチング周波数が高いほど、電力密度を高くでき、効率や性能が向上し、EMI（電磁干渉）雑音が減少します。これらの利点によって、GaNベースのモーター駆動システムは、シリコン・ベースのシステムよりも小型で信頼性が高く、費用対効果が高くなります。飛行時間（ToF）／Lidar（光による検出と距離の測定）：
自動運転車、ドローン、ロボットに使われるLidarのアプリケーションでは、GaNの高いスイッチング周波数が解像度を向上させ、範囲を広げ、スキャンを速くし、システムのサイズと重さを削減できます。オーディオ・アンプ：
オーディオ用途では、GaNの高いスイッチング周波数は、歪みと雑音を減らすことに貢献し、オーディオの音質が高くなります。これによって、GaNは特に、D級オーディオ・アンプに適しています。これは、効率と高め、高音質のオーディオを生成する能力で知られています。LED（発光ダイオード）照明：
GaNの高いスイッチング周波数は、LED照明のアプリケーションでも使えます。このアプリケーションでは、効率を改善すると同時に、電源のサイズと重さを削減することができます。
GaNのスイッチング周波数を利用して、設計上の課題を克服します
GaNの高いスイッチング周波数を利用して、いくつかの設計上の課題を克服できます。いくつかの例を示します：
- サイズが小さくなる：パワー・エレクトロニクス設計の主な課題の1つは、サイズの制約です。GaNの高いスイッチング周波数を利用して、設計者は、コイルやコンデンサなどの受動部品のサイズを小さくできます。これによって、電気自動車、衛星、民生用電子機器、および、イーモビリティ、ロボット、ドローンのモーター駆動などのスペースと重さの制約がある用途で特に役立ち、より小型な設計が可能になります。
- 効率が高くなる：スイッチング周波数が高いと、パワー・エレクトロニクス・システムのスイッチング損失が減少するので、効率が高くなります。これによって、ポータブル機器でのバッテリー寿命が長くなり、設置されたシステムでのエネルギー消費量が少なくなります。エネルギー・コストが大きくなる可能性のあるデータセンターなどのアプリケーションでは、GaNベースのパワー・エレクトロニクスを使うと、エネルギーの大幅な節約につながる可能性があります。
- より容易な熱管理：GaNの高いスイッチング周波数によって、スイッチングが速くなり、デバイスが大電流状態で消費する時間が短くなります。これによって、熱の発生が少なくなり、熱特性の管理が容易になります。加えて、GaNの高効率は、そもそも放熱する必要がある熱量を減らし、熱管理をさらに単純化することができます。
- 電磁干渉（EMI）雑音の削減：高周波スイッチングは、大きなEMI雑音を発生する可能性があり、パワー・エレクトロニクス・システムで管理することが難しい場合があります。ただし、GaNの高速スイッチング機能によって、電圧と電流のオーバーシュートを低減できるので、EMI雑音のレベルが低くなります。これによって、EMIの規制要件を簡単に満たすことができます。
詳細について、または、GaNベースの高周波設計を始めるときには、EPCにお問い合わせください。