窒化ガリウム (GaN) 半導体は、1990 年代初頭に高輝度青色発光ダイオード (LED) として初めて実用化されて以来、長い道のりを経て、その後中核となりました。 テクノロジー ブルーレイ光ディスクプレーヤー用。この技術が高い電力効率を備えた電界効果トランジスタ (FET) として商業的に実現可能になるまでには、ほぼ 20 年かかりました。
GaN は現在、最も急速に成長しているセグメントの 1 つです。 半導体 持続可能性と電動化の目標を達成するために、よりエネルギー効率の高いデバイスの需要に牽引されて、年間複合成長率は 25% ～ 50% と推定されています。
GaN トランジスタは、シリコン トランジスタよりも小型で高効率のデバイスの設計に使用できます。当初は高出力マイクロ波増幅器システムに利用されていましたが、GaN製造におけるスケールメリットと、小型でより強力な増幅器を作成できる能力により用途が拡大し、消費者、産業、軍事用途にわたる数十億ドル規模のデバイス市場を生み出しました。
シリコン MOSFET はパワー エレクトロニクスの理論的限界に達したと広く考えられていますが、GaN FET にはさらなる性能向上の大きな可能性がまだ残されています。 GaN 半導体では最も一般的に炭化ケイ素 (SiC) 基板が使用され、次に経済的なシリコン、または最も性能が高く高価なダイヤモンドが続きます。 GaN デバイスは、シリコンベースのデバイスよりも高い電子移動度および速度で、低い逆回復電荷またはゼロの逆回復電荷で高温で動作します。
GaN パワー半導体は、ガリウムヒ素 (GaAs) パワーアンプ半導体の約 80 倍の電力密度を備えています。 GaN 半導体は、電力効率が XNUMX% 以上で、GaAs や横方向拡散金属酸化膜半導体 (LDMOS) などの代替品よりも優れた電力、帯域幅、効率を提供します。この技術は現在、急速充電電源アダプターから自動車の先進運転支援システム (ADAS) に組み込まれた光検出測距 (LiDAR) デバイスに至るまで、さまざまな用途に利用されています。
データセンターは、GaN ベースのデバイスのもう 1 つの新興市場を代表しており、増大する消費電力と冷却要件に低コストで対応できるほか、規制や政治の分野で事業者が直面する増大する環境紛争への対応にも役立ちます。
半導体メーカーや市場調査会社も、より効率的なバッテリーからバッテリートラクションインバーターに至るまで、電気自動車の低電圧および高電圧アプリケーションの市場が成長すると予測しています。
これは、これまでのところ、SiC デバイスが独占してきた分野であり、GaN と同様に、高い電子移動度を備えたワイドバンドギャップ (WBG) 半導体として分類されており、これにより「パワー エレクトロニクス コンポーネントの小型化、高速化、信頼性の向上が可能になり、シリコン（Si）ベースの同等品よりも効率的です。」 GaN のバンドギャップは 3.4 eV ですが、SiC のバンドギャップは 2.2 eV、SI のバンドギャップは 1.12 eV です。
GaN および SiC パワー半導体は、シリコンよりも高い周波数で動作し、スイッチング速度が速く、伝導抵抗が低くなります。 SiC デバイスは高電圧で動作できる一方、GaN デバイスはより低いエネルギーでより高速なスイッチングを実現するため、設計者はサイズと重量を削減できます。最近ではより高電圧のデバイスも導入されていますが、SiC は最大 1,200 ボルトまでサポートできますが、一般に GaN は最大 650 ボルトまでの方が適切であると考えられています。
GaN は、GaAs や他の半導体と比較して、約 10 倍の周波数範囲の電力を供給できます (図 1)。
設計上の考慮事項
世界中で消費される電気エネルギーの 70% 以上がパワー エレクトロニクスによって処理されていると推定されています。 GaN の WBG 特性により、設計者は、より高い電力密度、優れた効率、超高速スイッチング速度を利用した、より小型のパワー エレクトロニクス システムを作成できます。
この技術は、パワーエレクトロニクス、自動車、太陽エネルギー貯蔵、データセンターなどの複数の市場でのイノベーションを可能にします。放射線に対する耐性が高い GaN デバイスは、新たな軍事および航空宇宙用途に最適です。
電子設計者の中には、材料コストに関する誤解により、GaN パワーデバイスから遠ざかってしまう人もいるかもしれません。 GaN 基板の製造は当初は Si よりもはるかに高かったですが、その差は大幅に減少しており、さまざまな基板を利用することで設計者はコストと性能の間の最適なトレードオフを見つけることができます。
GaN-on-SiC は、コストとパフォーマンスの最適なトレードオフにより、設計者に最も幅広い市場の可能性を提供します。ただし、GaN-on-Si および GaN-on-diamond のオプションを使用すると、製品設計者は、組織や顧客の価格/性能のニーズを満たす最適な基板を選択できます。
GaN のスイッチング速度は非常に高いため、設計者は電磁干渉 (EMI) と、電力ループ レイアウトでの電磁干渉の軽減方法に特に注意を払う必要があります。電圧オーバーシュートの防止に不可欠なアクティブ ゲート ドライバーは、スイッチング波形による EMI を低減します。
もう 1 つの重要な設計問題は、誤ったトリガを引き起こす可能性がある寄生インダクタンスと寄生容量です。パフォーマンスの利点を最大化するには、横方向および縦方向の電力ループの最適なレイアウトと、ドライバーの速度をデバイスの速度に一致させるかによって決まります。
設計者は、パフォーマンスと信頼性を損なう可能性のある過度の加熱を防ぐために、熱管理を最適化する必要もあります。パッケージングは、インダクタンスを低減し、熱を放散する能力について評価する必要があります。
アナログ・デバイセズはGaNパワーアンプを供給
エレクトロニック システムでは、エネルギー供給の電圧と、電力を供給する必要がある回路の電圧との間の変換が必要です。長年にわたり大手半導体企業であるアナログ・デバイセズ (ADI) は、業界をリードする GaN パワー・アンプの性能とサポートを提供し、設計者が最高の性能目標を達成し、ソリューションをより早く市場に投入できるようにすることを目指しています。
GaNパワーデバイスの利点を最大化するには、ゲートドライバと降圧（降圧）コントローラが不可欠です。ハーフブリッジ GaN ドライバーは、スイッチング性能と電源システムの全体的な効率を向上させます。 DC/DC 降圧コンバータは、より高い入力電圧をより低い出力電圧に変換します。
ADIは、上部および下部のドライバ段、ドライバロジック制御、保護、およびブートストラップスイッチを統合した8418VハーフブリッジGaNドライバであるLT100を提供しています（図2）。同期ハーフブリッジ降圧または昇圧トポロジに構成できます。スプリットゲートドライバーは、GaN FET のターンオンおよびターンオフのスルーレートを調整して、EMI 性能を最適化します。
ADI GaN ドライバの入出力は、GaN FET の誤ったターンオンを防ぐためにデフォルトのロー状態を備えています。 LT10 は、1.5 ns の高速伝播遅延と、トップチャネルとボトムチャネル間の 8418 ns の遅延マッチングを備えており、高周波 DC/DC コンバータ、モータドライバ、クラス D オーディオアンプ、データセンターの電源、民生、産業、自動車市場にわたる幅広い電力アプリケーションに対応します。
LTC7890とLTC7891（図3）は、それぞれデュアルとシングルの高性能降圧DC-DCスイッチングです。 レギュレーター N チャネル同期 GaN FET パワーステージを最大 100 V の入力電圧で駆動するためのコントローラーです。GaN FET の使用で設計者が直面する多くの課題に対処することを目的としたこれらのコントローラーは、通常使用される保護ダイオードやその他の追加の外部コンポーネントを必要としないため、アプリケーションの設計を簡素化します。シリコンで MOSFET ソリューションを提供しています。
各コントローラーにより、設計者はゲート ドライバー電圧を 4 V ～ 5.5 V に正確に調整して性能を最適化し、さまざまな GaN FET およびロジック レベル MOSFET を使用できるようになります。内部のスマート ブートストラップ スイッチは、デッドタイム中の SWx ピンのハイサイド ドライバ電源への BOOSTx ピンの過充電を防止し、トップ GaN FET のゲートを保護します。
どちらのコンポーネントも、デッドタイムがほぼゼロになるように両方のスイッチング エッジでゲート ドライバのタイミングを内部的に最適化し、効率を向上させ、高周波数動作を可能にします。設計者は外部抵抗を使用してデッドタイムを調整することもできます。このデバイスは、クワッド フラット ノーリード (QFN) パッケージでサイドウェッタブル フランクを備えた状態で提供されます。回路図は、40リード、6mm x 6mmのLTC7890(図4)および28リード、4mm x 5mmのLTC7891(図5)構成の代表的なアプリケーション回路を示しています。
設計者は、ADI 電源管理ツールのポートフォリオを利用して、電源性能の目標を達成し、ボードを最適化することもできます。このツールセットには、可変降圧抵抗カリキュレーター、シグナル チェーン パワー コンフィギュレーター、および Windows ベースの開発環境が含まれています。
まとめ
GaN は、高電力密度、超高速スイッチング速度、優れた電力効率を備えたコンポーネントの製造に使用される革新的な半導体材料です。製品設計者は、アナログ・デバイセズのGaN FETゲート・ドライバ製品を活用して、より少ないコンポーネントでより信頼性が高く効率的なシステムを作成でき、その結果、設置面積と重量が削減されたより小型のシステムを実現できます。