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。

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。

米Sensitron Semiconductorの新規ビジネス開発部門ディレクタRichard Locarniと、EPCのフィールド・アプリケーション・エンジニアBrian Millerによる投稿。

多くの電力システムで使われる基本的なビルディング・ブロックは、直列の2個のパワーFETとそれぞれのゲート・ドライバで構成されるハーフブリッジです。ディスクリートFETとゲート・ドライバを使って基板上でこの機能を実現できますが、多くの場合、ハーフブリッジ・モジュールを使う方が有利です。ハーフブリッジ・モジュールを使うと、事前に認定された単一部品の使用、リードタイムの短縮、高性能化など、多くの利点があります。米Sensitron Semiconductor（sensitron.com）は 、50年以上にわたるパワー・モジュールのサプライヤであり、最新の製品はEPCのeGaN FETを使っているため、さらに魅力的です。SensitronはEfficient Power Conversionと協力して、最近製品化したGaN FETのEPC2050を使って350 Vのハーフブリッジ・モジュールを開発しました。商用、産業用、および航空宇宙のアプリケーション向けに設計されたハーフブリッジのインテリジェント・パワー・モジュールSPG025N035P1Bは、定格20 Aで、5 kW以上の制御に使えます。図1は、SiやSiCからGaNへのアップグレードによって達成されたパッケージ・サイズの大幅な小型化です。

去る2015年に、米オンライン・ニュースは、シリコンから引き継いだ窒化ガリウム・チップに関する記事を公開しました。その記事で私は、GaN FETはシリコンよりも高性能で、かつ低コストなので、窒化ガリウム・ベースのパワー半導体の広範な採用が可能であると主張しました。それでも、GaNがまだ、そのマイルストーンに到達していないという誤解が広まっています・・・これは誤った神話です。このブログで、この議論は定格400 V未満のデバイスに限定されているという注意と共に、この神話を払拭しようと試みます。これは、EPCのFETとIC製品のアプリケーションの焦点だからです。

このGaNの話のブログではモーター駆動回路の設計に、シリコン・ベースのインバータの代わりにGaNベースのインバータを使うと、大きさと重さを削減できると同時に、スムーズに動作させられることの利点について説明しています。これらの利点は、倉庫や物流のロボット、サーボ駆動、電動自転車や電動キックボード、協調型で低電圧のロボットや医療用ロボット、産業用ドローン、自動車用モーターなど、一般的なアプリケーションで使われるモーター駆動回路にとって重要です。

英調査会社Omdiaは、倉庫や物流のロボットの世界的な出荷台数は、2018年の年間19万4000台から、2022年には93万8000台へと、今後5年間で急速に増加すると予測しています。2021年までに、多くの主要プレーヤがロボット・システムを採用するため、その後の成長率は鈍化します。この分野の世界的な売り上げは、2018年の83億米ドルから、2022年には308億ドルに増加し、既存のプレーヤと新興プレーヤに大きな機会を提供します。

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。