GaN高効率電源の熱的利点を見逃すな

新しいアプリケーション用にオフボードAC/DC電源を検討する場合、窒化ガリウム（GaN）ベースの代替品が優れた電気特性と効率を持っているにもかかわらず、設計者はシリコン（Si）ベースのコンポーネントを選択することが多いです。それは、費用対効果に対する長年の思い込みによるものかもしれませんし、長らく既定の選択だったからかもしれません。しかし、こうした人々はGaNをベースにすることによって、冷却要件を大幅に低減できることを見落としている可能性があります。

Si半導体は、20世紀後半からエレクトロニクス産業の主役となってきました。GaNは1930年代に生み出されましたが、一般的な用途として初めて発光ダイオードに応用されたのは1990年代初頭であり、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（MOSFET）の代替品としてGaNトランジスタの製造が商業的に可能になった後、広く使われるようになりました。

それでもSiはAC/DC電源領域の主流であり続けました。より確立された製造プロセスを利用することで、サプライヤは製品設計者のコスト制約の中でより多くのシリコントランジスタを提供することができますが、Siベースのコンポーネントは性能と熱の限界に直面しつつあり、GaN代替品の幅広い検討への扉を開いています。

より高い電子移動度と広いバンドギャップにより、GaNを利用した電源は、より高い周波数で、より高い効率で、より小さなフォームファクタで動作することができます。

電源におけるGaNの利点

GaNトランジスタは、Siトランジスタよりも抵抗とスイッチング損失が小さく、スイッチングが高速で、消費電力が少ない特徴があります。熱伝導性に優れ、シリコントランジスタよりも高温で動作することができます。このため、ヒートシンクやフレーム、ファンなど、大型で、騒音が大きい冷却部品は必要ありません。

コンポーネントの削減は信頼性を向上させ、新しいアプリケーションを設計する際に貴重なスペースを節約できる、よりコンパクトなパワーユニットを可能にします。より小型で信頼性の高い電源ユニットは、高性能かつ低ノイズの電源ソリューションを必要とする幅広い用途に適しています。

オフボードGaNベースAC/DC電源は、以下のようなアプリケーションに使用できます。

• 電源の効率性、信頼性、静粛性が求められる医療機器
• ロボット、センサ、コントローラに使用される、堅牢で耐久性があり、適応性の高い産業用機器
• 高速、軽量、ポータブルデバイス用の民生用電子機器
• 没入感があり、冷却電源、コンソール、VRヘッドセットを備えたゲーミングシステム

Belブランドの多様なGaN電源

Bel Fuse Inc.傘下のBel Power Solutionsは、Belグループ傘下のEOS PowerおよびCUI Inc.ブランドのもと、GaNベースのAC/DC電源市場で製品を拡大しています。これらのブランドは、シリコンMOSFETの同等品と比較して、より高い電力密度と効率の向上を達成することを目的とした、GaN技術を利用した電源の製品ラインアップを提供しています。

EOSは超小型電源で知られています。EPG300/MEPG300 （図1）およびEPG500/MPEG500は、RFアプリケーション、5Gシステム、産業用プロセス制御など、最小限の電力損失と容易な熱管理を必要とするアプリケーション向けに導入されました。

図1：EPG300およびMEPG300電源のフォームファクタ。（提供：EOS Power）

EPG300とMEPG300のAC/DC電源はどちらも、12Vから58Vまでの6種類の単一出力電圧で利用可能で、効率は最大94%です。たとえば、EPG300-1312は、12V出力のオープンフレーム電源で、寸法は 4.00インチ x 2.00インチ x 1.47インチ（101.6mm x 50.8mm x 37.3mm）です。

MEPG300-1312をはじめとする同シリーズのモデルは、病院用ベッド、画像診断装置、監視装置、手術装置、診断装置などの医療用途向けに特別に設計されています。最新の医療規格（EN/IEC 60601-1）に準拠しており、クラスIアプリケーション用に2 x MOPP絶縁オプションがあります。

EPG500およびMEPG500 AC-DC電源（図2）は、90VAC～264VACの広い入力範囲で最大500Wの安定化出力電力を供給します。いずれも12Vから58Vまでの6種類の単出力電圧があり、寸法は5.00インチ x 3.00インチ x 1.58インチ（127.0mm x 76.2mm x 40.0mm）です。

図2：EPG500/MEPG500電源のフォームファクタ。（画像提供：EOS Power）

CUIのSDI120-U、SDI300G-U、SDI300G-URシリーズ120Wおよび300W GaNデスクトップAC/DC電源は、さまざまなポータブル民生用および産業用アプリケーション向けに設計されています。

24V出力のGaNデスクトップ電源であるCUI SDI120G-24-U-P51（図3）のサイズは、5.20インチ x 2.01インチ x 1.26インチ（132.0mm x 51.0mm x 32.0mm）です。最大120Wの連続出力が可能で、米国エネルギー省の効率基準レベルVIに適合しています。

図3：SDI120G-24-U-P51デスクトップ電源。（提供：CUI, Inc.）

SDI300G-48-U2-P219は、高電力、高効率、コンパクトなAC/DC電源ソリューションを必要とするさまざまなアプリケーションに適しています。サイズは7.20インチ×3.35インチ×1.38インチ（183.0mm×85.0mm×35.0mm）で、6.25A（最大）で48Vの出力を供給します。

CUI SDI300G-URシリーズは、IECクラスII定格で、3プロング（C18）インレットを備えており、SDI300G-U（図4）およびSDI120G-Uシリーズは、2プロング（C14）インレットを備えています。

図4：CUIの2プロングSDI300G-URシリーズAC/DCデスクトップ電源フォームファクタ。（提供：CUI, Inc.）

まとめ

製品メーカーがよりコンパクトで効率的なパワーソリューションを常に求めている中、GaNは、民生用電子機器、通信、自動車分野などの新しいエレクトロニクスアプリケーションにとって、ますます魅力的な選択肢となっています。Belブランドは、信頼性が高く、効率的でコンパクトなAC/DC電力変換を必要とするアプリケーションに、冷却の利点を加えた幅広い選択肢を製品設計者に提供します。

リファレンス：

1 – https://www.edn.com/a-brief-history-of-gallium-nitride-gan-semiconductors/