電力密度を向上するGaN半導体

GaNデバイスは、MOSFETと比較して、より高速、より発熱が少なく、より小型のソリューションを提供する、高密度電力回路向けの新世代の半導体です。

パワー・エレクトロニクスの世界は、1959年にベル研究所のダーロン・カーング(Dawon Kahng) とマーティン・アタラ(Martin Atalla)がMOSFET(金属酸化物電界効果トランジスタ)を発明したことで、その画期的発展の第一歩をしるしました。その5年後に、最初の商用MOSFETの量産が開始され、その後、数々の世代のMOSFETトランジスタによって、それまでのバイポーラ・トランジスタでは実現できない性能レベルと密度レベルを達成できるようになりました。

しかし近年、これらの進歩は先細りになりつつあり、次の飛躍的なテクノロジが求められるようになりました。その中でGaN(窒化ガリウム)半導体が登場しました。

ワイド・バンドギャップ・トランジスタ・テクノロジの一つであるGaNは、パワー・エレクトロニクス・システム内で新しいレベルの性能と効率を可能にするという、画期的なソリューションを提供します。GaN半導体固有の数々の利点によって、技術者は、これまでは不可能だった方法で電力密度を再検討し、全世界で増加し続ける電力の需要に対応できるようになりました。この記事では、そのことについて解説します。

GaNを採用する理由
電力密度という観点からは、GaNは、シリコンMOSFETと比較した場合、次のような重要な利点を提供します。

• より低いオン抵抗(RDS(on)): 1に示すように、GaNの単位面積あたりのオン抵抗は、 MOSFETの半分です。つまり、回路内の導通損失が半減するということです。このため、より小型の放熱器と、より簡素な熱管理手法を使用できます。

• ゲート電荷と出力電荷が小さい: GaNは、より小さなゲート電荷を提供します。 2に示すように、代表的な中電圧デバイスのゲート電荷はおよそ1nCであり、MOSFETでは4nC です。ゲート電荷が低いことで、損失を削減できると同時に、ターンオン時間とスルーレートを大幅に高速にできます。

同様に、2に示すように、GaNは出力電荷も大幅に削減し、このことで個々の設計で2倍の利点を提供します。まず、スイッチング損失を最大80パーセント削減できます。このことは低いオン抵抗と相まって、電力密度に大幅に良好な影響を提供します。次に、GaNはトポロジやアプリケーションによっては、最大10 倍という非常に高いスイッチング周波数で動作可能です。このことで、総合的な変換効率を最大15パーセント向上すると同時に、磁気部品のサイズや、その回路の実装面積を大幅に縮小できます。

• 逆方向回復時間がゼロ: シリコン MOSFETは、サイズや特性によって、通常50nC~60nC程度の逆方向回復電荷を持っています。MOSFETがオフになると、寄生ダイオード内の逆方向回復電荷(Qrr) が損失を発生し、この損失のためシステムの総合的なスイッチング損失が増加します。これらの損失はスイッチング周波数に比例して増加します。下の1 からもわかるように、高い周波数で Qrr 損失を持つMOSFETは、多くのアプリケーションには適しません。

1. 高いスイッチング周波数でのMOSFETの逆方向回復電荷(Qrr) 損失は、同様の規格のGaNと比較して大幅に増加する

これに対して、GaNは逆回復電荷がゼロで、Qrr損失もゼロであることから、ハード・スイッチングのアプリケーションには最適です。この様子は、後で説明します。

GaNの駆動
 どのような種類のGaNを使う場合でも、最高の総合性能を実現するためには、ゲート・ドライブ回路が重要です。貧弱なゲート・ドライブ回路はF1レーシングカーに普通車用のタイヤを使うようなものです。

ゲート・ドライブ回路を設計する場合に考慮すべき重要なパラメータを次に示します。

• バイアス電圧: ゲートに最適なバイアス電圧を加えることで、最高のスイッチング性能を実現できるとともに、潜在的な過電圧状態からゲートを保護できます。バイアスレベルはGaNの種類や製造プロセスによって異なり、それらに対応して適切に設定する必要があります。クランプ回路や過電圧保護回路も、大変重要です。

• ループ・インダクタンス:  GaNは高スルーレートと高いスイッチング周波数を提供することから、回路内の浮遊インダクタンスによって、システム内で損失とリンギングを発生します。浮遊インダクタンスには、プリント基板(PCB)の配線パターンをはじめ、GaN FETやドライバのパッケージのリードやIC内部のボンディング・ワイヤまで、数多くの要因があります。これらのインダクタンスを削減することは可能ですが、完全に無くすことは相当困難です。『LMG3410』 などのGaNパワー・ステージ・ソリューションは、ドライバと複数のGaN FETを単一パッケージに集積することで、総合的な浮遊インダクタンスを大幅に削減できます。

• 伝搬遅延時間: 高い周波数での動作では、短い伝搬遅延時間と、ハーフブリッジ・トポロジでの伝搬遅延時間特性の一致は非常に重要です。25ns前後の伝搬遅延時間と、1~2ns以内の特性の一致は、1MHzより上の高い周波数の回路の設計では重要です。 

  

2. 最適なドライブ回路のGaNのスイッチング波形からもわかるように、非常に高いスルーレート、かつスイッチング・ノードで発生するリンギングを最小限に抑制

ゲート・ドライブ回路とプリント基板レイアウトを最適化することで、スイッチノードで100V/nsを超える非常に高いスルーレートと、最小限のリンギングでGaNデバイスを動作させることができます。 2 に、このような回路設計で得られたスイッチング波形の例を示します。

設計例: 次世代PFCソリューション
 独自の特性を持つGaNデバイスは、異なるシステムやアプリケーションで電力密度を向上するための、いくつかの最も困難な問題の解決に役立ちます。これらの利点は、既存の回路で、MOSFETを同等のGaNデバイスに単純に置き換えるだけでは達成できません。GaNは、従来のシリコンMOSFETでは不可能だった新しい回路トポロジや動作モード、またはその両方を可能にします。 これらの大きな利点によって、より小型で、より高効率の新クラスの製品の実現につながります。次に、このような例を紹介します。

PFC(力率補正)は、75Wを超える消費電力の電気製品や電子製品には必須の機能です。PFCは、商用電源と主システム及び後続のシステムの先頭に入る電力変換ブロックであり、あらゆる動作点ですべての負荷電流を供給します。したがって、PFCはシステム全体のサイズと効率に直接影響を与えます。

サイズの縮小と、効率に関する業界の標準規格に適合することを目的として、異なるトポロジで、各世代の回路が設計されてきました。例えば、80 Plusの効率レベルに規定されたtitanium-gradeの電源には、96パーセントの効率が求められます。

 3. 高電力の回路設計で、しばしば用いられるデュアル・ブリッジPFCトポロジ

1kWを超える高電力システムの多くでは、図3のデュアル・ブリッジ・トポロジが使われています。ここ10年の間、SiC(シリコン・カーバイド)ダイオードと最新世代のスーパージャンクションMOSFETトランジスタによって、電力密度が向上しました。

電力密度の大幅な向上には、次の項目を削減するための代替手段が必要になります。

• 電力スイッチの数
• フィルタ・インダクタの数
• インダクタのサイズ
• 放熱器と冷却部品のサイズ

 代替手法の一つは、連続導通モードのトーテムポール・トポロジです。4に示すように、このトポロジはGaNの主要な特性の利点をすべて活用することで、より小型のサイズと、より高い動作周波数を同時に可能な設計を実現できます。このトポロジの実装では、GaNの逆回復電荷がないという特長は特に重要です。

4. トーテムポールPFCトポロジは、GaNの逆回復電荷ゼロの利点を活用して、サイズを縮小すると同時に動作周波数を高くできる

3 に、ブリッジレスPFC回路の、数種類の主要な利点を示します。

• 電力スイッチ: トーテムポールPFCトポロジは、デュアル・ブリッジとは対照的に、2個のスーパージャンクションMOSFETと2本のSiCダイオードを、2個のGaNデバイスのみに置き換えできます。

• フィルタ・インダクタ: このトポロジでは、パワー・ステージの体積の大きなフィルタ・インダクタ1個が不要になります。このインダクタと、電力スイッチの個数の削減によって、システムの総合的な信頼性の向上にも役立ちます。

• サイズ: GaNは、40kHz~60kHzのスイッチング周波数で動作するMOSFETの通常4倍の、非常に高い周波数で動作することから、より小型のフィルタ・インダクタを使用できます。  さらに、GaNはより低いスイッチング損失を提供することから、パワー・ステージの放熱器のサイズを大幅に縮小できます。

• 効率: 良好に設計されたトーテムポールPFC回路は、99パーセント以上の高いライン効率を提供します。つまり、1kWの回路では、PFCステージ全体の損失は10W未満になります。

• コスト: GaNデバイスは、現在、製造コストが低いことから、より高いコスト効率を提供します。しかし、ここで説明するコストの節約を加味しても、システムの総合コストは既存のMOSFET回路と同等です。

最新のトーテムポール回路では、デジタル・パワー・コントローラも活用して、効率、全高調波歪みやその他の重要な設計パラメータをさらに改善しています。C2000をはじめとしたデジタル・コントローラと『UCD3138』は、パワー・ステージの動作を知的に制御して、ラインや負荷の状態に対応して、効率をリアルタイムで最適化します。

まとめ
 電源技術者は、例えばクラウド・コンピューティング、5G無線通信インフラストラクチャ、風力や太陽光の発電施設、そして電気自動車やハイブリッド自動車をはじめとした、複数の業界の、より高効率でより高い電力への継続的な需要に直面しています。シリコンMOSFET回路の発展は頂点に達し、設計者は次の製品設計に、GaNをはじめとしたワイド・バンドギャップ・テクノロジを検討しています。

PFC回路の例で説明したように、GaN半導体は効率を向上するのみならず、電源サイズを30~50パーセントも劇的に縮小します。GaNデバイスを絶縁型と非絶縁型のDC/DCコンバータ、インバータその他の電力変換サブシステムに使用することで、電力損失、部品点数、重量やサイズを大幅に削減できます。

<著者紹介>
マスード・ビヘスティ(Masoud Beheshti
TI
アドバンスト・テクノロジ戦略およびワイド・バンドギャップ・ソリューション
マーケティング担当。電源管理において長年の経験を有し、システム・エンジニアリング、製品ライン管理、マーケティングおよびアプリケーション管理など、数々のポストを歴任。
ライアソン大学 電子工学 学士号
南メソジスト大学 経営学 修士号(MBA

※2017年6月20日マイナビニュース掲載のテキサス・インスツルメンツ寄稿記事を転載

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