ADI GaNパワーコンポーネントおよびツールによる設計機会の拡大

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）として実用化され、その後ブルーレイ光ディスクプレーヤの中核技術となって以来、大きな進歩を遂げてきました。この技術が、高い電力効率を持つ電界効果トランジスタ（FET）として実用化されるまでには、20年近くかかるでしょう。

GaNは現在、半導体業界で最も急成長している分野の1つであり、持続可能性と電化の目標を達成するため、より高いエネルギー効率を持つデバイスへの需要に牽引され、年平均の成長は25%から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な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製造のスケールメリットと、小型でより強力な増幅器を製造する能力により、用途が拡大し、民生、産業、軍事用途にまたがる数十億ドル規模のデバイス市場が形成されました。

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信じられていますが、GaN FETはさらなる性能向上の大きな可能性を秘めています。GaN半導体は、シリコンカーバイド（SiC）基板を使用するのが最も一般的で、次いで経済的なシリコン、あるいは最も高性能で高価なダイヤモンドが使用されます。GaNデバイスは、シリコンベースのデバイスよりも電子移動度と速度が高く、逆回復電荷が低いかゼロで、より高温で動作させることができます。

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5倍の電力密度を特徴とします。電力効率80%以上のGaN半導体は、GaAsや横型MOS（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と測距（LiDAR）デバイスまで、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ベースデバイスのもう一つの新興市場であり、増大する消費電力と冷却要件に対応し、低コストを実現するだけでなく、規制や政治的な舞台で事業者が直面する環境問題の高まりに対処する手助けとなります。

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からバッテリトラクションインバータまで、電気自動車における低電圧および高電圧アプリケーションの市場拡大を予測しています。

SiCデバイスは、GaNと同様、「パワーエレクトロニクスコンポーネントをシリコン（Si）ベースのものよりも小型化、高速化、高信頼性、高効率化することを可能にする」電子移動度の高いワイドバンドギャップ（WBG）半導体に分類されます。GaNのバンドギャップは3.4eVで、SiCは2.2eV、Siは1.12eVです。

GaNと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、伝導抵抗が低いです。SiCデバイスはより高い電圧で動作し、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、設計者は小型および軽量化を図ることができます。SiCは1,200ボルトまで対応できるのに対し、GaNは一般に650ボルトまでが適切とされてきましたが、最近ではより高電圧のデバイスも登場しています。

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することができます（図1）。

図1：マイクロ波周波数帯パワーエレクトロニクスの比較。（提供：Analog Devices, Inc.）

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て、より小型のパワーエレクトロニクスシステムを構築することができます。

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、複数の市場における技術革新を可能にします。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適しています。

電子機器設計者の中には、材料コストに関する誤解からGaNパワーデバイスと距離を置いている人もいるかもしれません。GaN基板の製造は当初、Siよりもはるかに高価でしたが、その差はかなり小さくなっており、異なる基板を利用することで、設計者はコストと性能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、コストと性能の最良のトレードオフにより、設計者に最も広い市場の可能性を提供します。しかし、GaN-on-SiとGaN-on-ダイヤモンドという選択肢があるため、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することができます。

GaNのスイッチングレートが非常に高いため、設計者は電磁干渉（EMI）に特に注意を払う必要があり、電源ループのレイアウトでそれをどのように軽減できるかが問題となります。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は、スイッチング波形からのEMIを低減することができます。

もう1つの重要な設計上の問題は、誤トリガにつながる寄生インダクタンスとキャパシタンスです。性能上の利点を最大化できるかどうかは、横方向と縦方向の電源ループの最適なレイアウトと、駆動速度をデバイスの速度に合わせるかどうかにかかっています。

設計者はまた、性能と信頼性を損なう過度の発熱を防ぐために、熱管理を最適化しなければなりません。パッケージは、インダクタンスを低減し、放熱能力で評価されるべきです。

Analog Devices、GaNパワーアンプを発表

電子機器システムには、エネルギー供給の電圧と、電力供給が必要な回路の電圧の変換が必要です。長年半導体業界をリードしてきたAnalog Devices, Inc.（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することで、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。

ゲートドライバとステップダウン（またはバック）コントローラは、GaNパワーデバイスの利点を最大限に引き出すために不可欠です。ハーフブリッジGaNドライバは、電力システムのスイッチング性能と総合効率を向上させます。DC/DC降圧コンバータは、高い入力電圧を低い出力電圧に変換します。

ADI は、上下ドライバ段、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集積した 100VハーフブリッジGaNドライバ、LT8418 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は、GaN FETのターンオンとターンオフのスルーレートを調整し、EMI性能を最適化します。

図2：ADIのLT8418 GANベーススイッチングDC/DCコンバータの回路図。（提供：Analog Devices, Inc.）

ADI GaNドライバ入出力は、GaN FETが誤ってオンするのを防ぐためにデフォルトでロー状態になっています。10nsの高速伝搬遅延と、トップチャンネルとボトムチャンネル間で1.5nsという優れた遅延マッチングにより、LT8418は高周波数のDC/DCコンバータ、モータドライバ、D級オーディオアンプ、データセンター電源、および民生、産業、車載市場にわたる幅広い電源用途に適しています。

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スイッチングレギュレータコントローラで、最大100Vの入力電圧からNチャネル同期GaN FETパワーステージを駆動します。これらのコントローラは、GaN FETを使用する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ており、シリコンMOSFETソリューションで一般的に使用される保護ダイオードやその他の追加外部コンポーネントを必要としないため、アプリケーション設計を簡素化できます。

図3：ADIのLTC7891降圧コントローラ。（提供：Analog Devices, Inc.）

各コントローラは、性能を最適化し、異なるGaN FETやロジックレベルMOSFETを使用できるように、ゲートドライバ電圧を4Vから5.5Vまで正確に調整することができます。内蔵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BOOSTxピンからSWxピンのハイサイドドライバ電源への過充電を防ぎ、トップ窒化ガリウムFETのゲートを保護します。

両コンポーネントとも、両スイッチングエッジのゲートドライバタイミングを内部で最適化することで、デッドタイムをほぼゼロにし、効率を向上させ、高周波動作を可能にします。設計者は、外付け抵抗で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）パッケージのサイドウェッタブルフランクス（SWF）で提供されます。回路図は、40リード、6mm x 6mmのLTC7890（図4）と28リード、4mm x 5mmのLTC7891（図5）を使用した代表的なアプリケーション回路を示しています。

図4：ADIのLTC7890を使用した代表的な応用回路の回路図。（提供：Analog Devices, Inc.）

図5：ADIの28リードLTC7891を使用した降圧レギュレータの回路図。（提供：Analog Devices, Inc.）

設計者はまた、電源性能の目標を達成し、基板を最適化するために、ADIの電源管理ツールの製品ラインアップを利用することができます。このツールセットには、可変降圧抵抗カリキュレータ、シグナルチェーンパワーコンフィギュレータ、Windowsベースの開発環境が含まれます。

まとめ

GaNは、高電力密度、超高速スイッチング速度、優れた電力効率を持つコンポーネントを製造するために使用される革新的な半導体材料です。製品設計者は、ADIのGaN FETゲートドライバ製品を活用することで、より少ない部品でより信頼性が高く効率的なシステムを構築することができ、その結果、フットプリントと重量を削減した小型システムを実現することができます。