シリコンMOSFET用に設計されたコントローラでGaN FETを駆動する

窒化ガリウム（GaN）デバイスは、パワーアプリケーションにおいて、従来のシリコンMOSFET部品よりも性能と効率で大きな利点を提供します。これらの製品は、幅広い産業分野で必要とされる高密度、高速スイッチング、エネルギー効率の向上を実現します。しかし、アプリケーションによっては設計上の大きな課題があります。

コンパクトなUSB-C充電器や電子車載充電器から、太陽エネルギーおよびデータセンターアプリケーションに至るまで、設計者はGaN半導体技術を活用し、より小型・軽量で、かつ低温の製品を提供することを求めています。

GaN部品のスイッチング速度が速いため、設計者は寄生インダクタンス、より精密なゲート制御の必要性、ゲートリーク電流、逆導通電圧降下など、複数の課題に直面しています。

専用のGaNコントローラは、特定のGaNベースのアプリケーションを設計するための理想的な選択肢です。たとえば、Analog Devices, Inc.は、さまざまなGaNパワーコントローラを提供しています。設計者は、スマートなブートストラップスイッチを内蔵したLT8418 100VハーフブリッジGaNドライバなど、シンプルな専用GaN FETドライバを活用することができます（図1）。

図1：ADIの専用LT8418ハーフブリッジGaNドライバ。（画像提供：Analog Devices, Inc.）

このデバイスは、GaN FETのターンオンおよびターンオフ時のスルーレートを精密に制御するスプリットゲートドライバを内蔵しており、リンギングの抑制とEMI性能の向上を実現します。また、WLCSP（ウェハーレベルチップスケールパッケージ）を採用し、寄生インダクタンスを最小限に抑えます。

GaN FET用の高性能デュアル降圧DC/DCスイッチングレギュレータコントローラ「LTC7890」および「LTC7891」（図2）など、より複雑なコントローラも用意されています。

図2：GaN FETに向けたADIの高性能DC/DCスイッチングレギュレータコントローラ「LTC7891」。（画像提供：Analog Devices, Inc.）

シリコンMOSFETソリューションとは異なり、LTC7890/LTC7891デバイスは保護ダイオードや追加の外付け部品が不要です。そのゲート駆動電圧を4V～5.5Vの間で正確に調節することで、性能を最適化し、他のGaN FETやロジックレベルのMOSFETを使用できるようになります。

シリコンコントローラしか選択肢がない場合

4スイッチ昇降圧コントローラなどの一部の重要な部品には、すぐに入手できる専用のGaNコントローラがありません。設計者は、MOSFET用に設計された既存のコントローラをGaN FETの駆動に適応させ、電力と効率を向上させることができるかもしれません。ただし、この場合、慎重な対応が必要です。シリコンをターゲットにしたコントローラをGaNアプリケーションに利用するには、部品の選択と基板レベルの設計に注意を払う必要があり、追加の回路が必要になることもあります。

ハイパワーコンバータでは、従来のゲートドライバは5Vを超える電圧を出力することが多く、通常は7Vから10V、場合によってはそれ以上の電圧を出力することもあります。これは、ゲート電圧の最大定格が通常わずか6VのGaN FETを駆動する際に問題となります。PCB上の浮遊インダクタンスによる電圧スパイクやリンギングによって、短時間でもこの制限を超えると、GaNデバイスに永久的な損傷を与える可能性があります。

設計者は、適切なコントローラを選択し、PCBレイアウト、特にゲートとソースのリターンパス周辺に細心の注意を払い、インダクタンスを可能な限り低く保ち、不要な電圧オーバーシュートを減らすことで、これらの問題を回避することができます。

多くのMOSFETドライバは、GaN FETの絶対最大電圧を超えるドリフトが可能な非安定化シリコンゲートドライバを利用しています。設計上の考慮事項には、ゲート駆動電圧の管理、ブートストラップ電源の安定化、デッドタイムの最適化などがあります。

4スイッチ昇降圧デバイスは、GaN FETの偶発的な過電圧を防ぐため、5Vゲートコントローラを使用しなければなりません。偶発的な過電圧からゲートを保護するために、クランプ回路やゲート電圧リミッタなどの保護部品を含めることも重要です。

ADIのLT8390Aは、ブートストラップコンデンサと並列に置かれた5.1Vツェナーダイオードを利用することにより、5Vゲートコントローラとして機能することができます（図3）。これにより、ゲート電圧は推奨駆動レベルでクランプされ、安全な動作範囲内に保たれます。さらなる保護を実現するために、ブートストラップと直列に10Ω抵抗を追加することで、非常に高速でハイパワーなスイッチノードによって引き起こされる可能性のあるリンギングを軽減できます。

図3：この簡略化した回路図は、GaN FETを駆動する際の電圧保護のために、5.1Vツェナーダイオード（D5とD6）と10Ω抵抗を利用したLT8390A 4スイッチ昇降圧コントローラを示しています。（画像提供：Analog Devices, Inc.）

まとめ

ADIのLT8390A昇降圧コントローラなどのシリコンMOSFETコントローラは、GaN FETを安全かつ効率的に駆動するように適応できるため、設計者は、専用のDC/DC GaNコントローラが入手できない場合でも、GaNアプリケーションを作成できます。

詳細については、ウェビナー「GaNによる設計：電力における課題の克服」をご覧ください。