窒化ガリウム電源デバイス

2. 適切な窒化ガリウムデバイスを選択

以下のツールを使用してデバイスを選択

この記事を読んで、スイッチング電力変換器のデバイスの選択と比較にRDS(on)を使ってはいけない理由を学んでください。

GaN FET熱計算ツールを使ったソリューションのシミュレーション

アプリケーションに適したデバイスをいくつか見つけたら、GaN FET熱計算ツールを使って、そのデバイスが熱環境でどのように動作するかを評価できます。損失が決まれば、熱ソリューションの最適化が可能になります。

パッケージングオプションを検討

EPCのGaN FETおよびICは、チップスケールパッケージ（CSP）およびプラスチッククワッドフラットノーリード（PQFN）パッケージで提供されます。CSPとPQFNのどちらを選択するかは、アプリケーションの特定の要件に依存します。CSPは、サイズに制約のある高電力密度のアプリケーションに適しています。PQFNパッケージは、高性能と製造の容易さのバランスを提供します。

信頼性を考慮

製品の信頼性は、適切なデバイスを選択する際の重要な検討事項です。eGaN®デバイスは、2010年3月より量産を開始しており、実験室でのテストと量産顧客アプリケーションの両方で非常に高い信頼性が実証されており、フィールドでの信頼性の高さは注目に値します。

EPCは広範な信頼性テストプログラムを実施しており、その結果を定期的に公表しています。最新の信頼性レポートについては、信頼性リソースのページをご覧ください。

主な信頼性トピック

• ゲートストレスとドレインストレスに対する物理学ベースの寿命モデル
• 安全動作領域
• 短絡耐性
• 機械的応力
• 熱機械的応力
• アプリケーション固有のデバイス寿命を正確に予測するテストツーフェイル手法

3. モータドライバとコントローラ

窒化ガリウム電力変換システムにおいて、堅牢で高性能な設計を実現するためには、適切な窒化ガリウムドライバやコントローラを選択することが重要です。EPCのGaN First Time Right™️設計フレームワークのこのセクションでは、互換性のあるゲートドライバ、コントローラアーキテクチャ（降圧、昇圧、ハーフブリッジ、同期整流）、およびデッドタイム、伝搬遅延、ゲート保護などの選択基準に関する詳細なガイダンスをご覧いただけます。窒化ガリウム対応のシステムで効率、信頼性、速度を最大化するドライバとコントローラの統合を支援するため、各推奨はテスト済みのリファレンス設計と豊富なアプリケーションデータに裏付けられています。

シリコンMOSFET用に設計されたコントローラやゲートドライバでGaN FETを使用する方法を学びましょう。

状況によっては、設計者は汎用のゲートドライバやコントローラを使う場合があるかもしれません。これはしばしば可能ですが（EPC9153降圧コンバータの例）、以下のような調査すべき点がいくつかあります：

1. ハイサイドブートストラップ電圧「クランプ」 - ブートストラップ電源駆動ハーフブリッジドライバのローサイドFET逆電流伝導用（逆伝導電圧は2.5Vにも達し、ブートストラップコンデンサを7V以上に充電可能）。
2. EPCのeGaN FETは、ターンオン電圧5.0～5.5V、ただし4.5V以下、ターンオフ電圧0Vで駆動する必要があります。したがって、ドライバの不足電圧ロックアウト（UVLO）をチェックする必要があり、ディセーブル時3.6V、イネーブル時4.0Vの範囲にすることを推奨します。
3. 窒化ガリウムデバイスは非常に高速にスイッチングするため、ゲートドライバはこのような高いdv/dtに耐えられる必要があり、>100 V/nsの能力が推奨されます。
4. 最小デッドタイムは、デッドタイム損失を最小化するのに十分低くあるべきで、理想的には20～40nsの範囲です：効率を最大化するデッドタイムの最適化
5. 下部FETと並列な小型で低コストのショットキーダイオードが必要になるかもしれません。例として、ボードEPC9153降圧コンバータを参照してください。

設計要件を満たすモノリシック窒化ガリウム集積回路を特定してください。

4. 回路図とレイアウト

設計を始めるための回路図の検索とダウンロード

EPCはすべての評価ボードの回路図を公開しており、重要な部品をすべて含む設計や、最適なスイッチング性能をサポートするレイアウトを簡単にコピー＆ペーストできます。増え続ける設計リストからご興味のある評価ボードを選択し、部品表、ガーバーファイルを備えた回路図を見つけて、設計を開始してください。

GaN FETの回路図記号

EPCでは、GaN FETに標準的なMOSFET記号を使用することで、設計者の利便性を高めています。エンハンスメントモードの窒化ガリウムトランジスタは、シリコンパワーMOSFETのようなp-nボディダイオードはありませんが、パワーMOSFETのダイオードと同様に逆方向に導通します。しかし、エンハンスメントモードの窒化ガリウムトランジスタでは、伝導に関与する少数キャリアが存在しないため、逆回復電荷は発生しません。Q_RRはゼロであり、これはパワーMOSFETと比較して大きな利点です

eGaN FETによるPCBレイアウトの最適化（WP010）の推奨設計では、最初の内層をパワーループのリターンパスとして利用しています。このリターンパスは、トップレイヤのパワーループの真下に位置するため、物理的なループサイズを最小にすることができます。このコンセプトのバリエーションは、バスコンデンサをハイサイドデバイスの隣、ローサイドデバイスの隣、あるいはローサイドデバイスとハイサイドデバイスの間に配置することで実現できますが、いずれの場合も、ループはデバイスの真下の内層で閉じられます。同様のコンセプトがゲートループにも採用されており、リターンゲートループはONゲート抵抗とOFFゲート抵抗の直下に配置されています。

さらに、パワーループとゲートループの共通ソースインダクタンスを最小化するため、パワーループとゲートループは互いに垂直にレイアウトされ、ゲートパッドに最も近いソースパッドに隣接するビアは、ゲートドライバのリターンパスのケルビン接続として使用されます。

窒化ガリウムデバイスの効果的な並列化のためのガイドライン

高電力アプリケーションでは、複数のトランジスタを並列に配置し、それらを単一デバイスとして動作させる必要があるかもしれません。窒化ガリウムデバイスの並列性が極めて高い理由：

• RDS(ON)は正の温度係数を持つため、ON状態では各デバイスの温度に応じて電流は自己均衡化を達成
• GaN FETのQGは、同等のSi MOSFETよりもはるかに低いため、ゲートドライバの要件と損失は最小限に抑制
• GaN FETのVTHは、Si MOSFETの強い負の温度係数に比べ、温度に対して非常に安定し、これによりスイッチングイベント中でも良好な電流共有が実現

しかし、動的な条件下で良好な電流共有を確保するためには、レイアウトに注意を払うことも重要です：

• 各GaN FETに、個別のゲート抵抗を使用し、それぞれをFETの近くに配置
• レイアウト上のすべての寄生インダクタンスは、パワーループとゲートループの両方で、並列化された各デバイスについて可能な限り同じに保つ必要あり
• 高性能アプリケーションでは、単一デバイスの代わりにハーフブリッジを並列配置するレイアウト手法を推奨：高速窒化ガリウムトランジスタの並列配置（AN020）。実装例：EPC90135：100V、45A並列評価ボード
• 4つのデバイスを並列に接続するよりシンプルな並列レイアウトのアプローチとして、モータ駆動リファレンス設計EPC9186：150 ARMS、広い入力電圧範囲を持つ3相BLDCモータ駆動インバータで使用されている手法を推奨

4つのデバイスを並列に配置したレイアウト例：EPC90135：100V、45A並列評価ボード

eGaN FETフットプリント設計のベストプラクティス

多くのEPC部品は、400μmまでのファインピッチを使用したWLCSP（Wafer Level Chip Scale Package）で提供されています。これは、窒化ガリウムデバイスの一貫した信頼性の高いアセンブリには、適切なPCBフットプリント設計が不可欠であることを意味します。詳細な推奨事項は、How2AppNote008 - PCBフットプリントeGaN FET ICを設計するに記載されており、推奨ランドパターン（ソルダーマスク開口部）とステンシル設計は各データシートに記載されています。EPCは、すべてのEPCフットプリントを備えたAltiumライブラリも提供します。ビデオフットプリント設計 - PCB CADシステム非依存では、CADに依存しない独自のフットプリントの作成方法を詳しく説明しています。

EPCが、NSMD（Non-Solder Mask Defined）パッドよりもSMD（Solder Mask Deined）パッドの使用を推奨する2つの理由：

• SMD（Solder Mask Defined）フットプリントは、低インダクタンスを実現し、リフロー時のアライメントを改善します。
• NSMD（Non-Solder Mask Defined）フットプリントは、リフロー時にダイの位置がずれる可能性が高く、銅の有効接触面積を減少させ、はんだ接合とデバイスの通電能力を低下させます。

EPCが推奨するシルクスクリーンのデザインは以下の通り：

• 部品形状の輪郭を描く4つのコーナー登録マーク。
• 開いた細い破線で描かれた線: 部品を囲む実線の長方形。これにより、リフロープロセス中にフラックスがダイから流れ出るのを防ぎ、フラックスダムを作成して部品の下にフラックスを閉じ込めることができます。
• 一意のピン1識別子。

回路図とレイアウトが完成した時点で、EPCチームによる設計のレビューをご希望の場合は、info@epc-co.comまでご依頼ください。

5. 損失計算

窒化ガリウムデバイスによる電気的性能のシミュレーション

窒化ガリウムデバイスを実際に使用することなくシミュレーションできることは、設計プロセスにおいて非常に重要なステップです。より詳細な電気シミュレーションのために、EPCは物理ベースと現象論的関数のハイブリッドを利用し、導電率と閾値パラメータの温度効果など、許容可能なシミュレーションと収束特性を持つ小型のスパイスモデルを実現しています。これらはEPCデバイスモデルのページでご覧いただけます。また、EPCデバイスモデルを使用した回路シミュレーションでは、これらのモデルについて詳しく説明しています。サポートしているモデル形式には、P-SPICE、LTSPICE、TSPICE、SIMPLIS/SIMetrix、Spectreがあります。また、モデルページにはSTEP、サーマルモデル、EPC Altiumライブラリも含まれています。

6. 熱管理

高度なヒートシンク設計で電力を最大化

ECPのGaN FETは、高電力密度設計において放熱能力を最大化するために、両面冷却を利用できる点に注意することが重要です。これについては、How2AppNote012 - eGaNコンバータからさらなるパワーを引き出す方法で詳しく取り上げています。

プレミアム熱伝導材料で冷却を最適化

熱伝導材料（TIM）は、トップサイド冷却を使用する場合、冷却システムの重要な部分となります。窒化ガリウムデバイスは非常に小さいため、効果的な冷却はヒートシンクの熱拡散効果に依存しますが、TIM層はその恩恵を受けません。TIM層は面積が小さいため、結果的に全体のRth,J-Aに大きく寄与することになり、高熱伝導性材料の使用は非常に効果的です。TIM層には、EPC GaN FETの上部がソース電位に接続されているため、GaNデバイスをヒートシンクから電気的に分離するという、非常に重要な2番目の役割もあります。

EPCは、設計者がTIM素材を探す際に役立つ情報を集めました：

7. アセンブリ

視覚特性

新しい生産プロセスを開始するときは、入荷時の目視検査を実施するのが一般的です。このプロセスを簡素化するため、お客様への出荷前にすべてのデバイスが満たさなければならない視覚的基準など、EPCのFETおよびICの物理的特性の詳細な説明は、エンハンスメントモードGaN FETおよびIC視覚特性ガイドに記載されています。

8. 測定

GaN FETはSi MOSFETよりもはるかに高速なスイッチングが可能です。

15Aでのスイッチノードの比較（48Vin、12Voutの降圧コンバータ）

これは、測定段階での課題の原因となります。

詳細については、AN023高速窒化ガリウムトランジスタの高精度測定をご覧ください。

ヒントとコツ

GaN FETの高性能化は、高速回路のための優れた測定技術の必要性を強調しています。

1. グランドループは、スプリングクリップを使用することで最小化すること
2. プロービングの位置は、テスト対象のデバイスにできる限り近づけておくこと

帯域幅の要件

帯域幅が十分でないスコープやプローブを使用した場合、一般的なコンバータの実際の波形を正確に測定することはできません。一般的なコンバータでは500MHzの帯域幅が推奨され、LiDARのような特殊なアプリケーションでは少なくとも1GHzが必要です。

プローブ/システムの帯域幅が捕捉波形に与える影響（EPC9080対応ボード）

差動プローブ

特に興味深いのは、典型的なハーフブリッジ構成におけるハイサイドゲートの測定です。帯域幅と測定セットアップに関する前述の要件に加え、この測定にはさらなる要件があります：

1. ガルバニック絶縁：ハイサイドゲートを再構成するために数学チャンネルを使用することができますが、この方法は2つのプローブ間のノイズやミスマッチの影響を受けやすくなっています。差動プローブを推奨
2. 大規模コモンモード除去比（CMMR）
3. コモンモード定格電圧>入力電圧（降圧）または出力電圧（昇圧）
4. 大きな入力インピーダンス、好ましくは、>10MΩ || <2pF

テスト機器メーカーは、これに適した高性能差動プローブを開発しました：たとえば、Tektronix IsoVu、LeCroy DL-ISO、PMK Fireflyプローブなどです。

ダブルパルス測定

この測定方法は、半導体デバイスのスイッチング損失を直接測定するために、スコープの演算機能を使って瞬間的な電圧波形と電流波形を掛け合わせ、それを積分することで行うのが一般的です。これまでの方法は電圧の測定には適用できますが、電流の測定にはさらなる課題があります：

• 帯域幅要件：アクティブ電流センサは、必要な精度と帯域幅の確保に苦労するため、電流シャントが依然として推奨される方法
• 電流シャントは、電源ループを中断してセンサを挿入する必要があります。電力ループインダクタンスの増加は測定結果に大きな変化をもたらす可能可能性あり

これらの理由から、EPCはダブルパルステストを推奨しておらず、むしろSpiceモデル（より高い精度が必要な場合は較正済みモデル）を利用します：EPCデバイスモデル

テスト機器メーカーはこのトピックに取り組んでいます。例えば、記事低電圧小型フォームファクタGaN FETの正確な特性評価を参照してください。