スイッチング アプリケーションでGaNをトランジスタとして使用すると、効率が向上し、フォーム ファクタが削減され、動作温度範囲が拡張される仕組みについて説明します。
GaNとは何ですか?
窒化ガリウム (GaN) は、ワイドバンドギャップ (WBG) 半導体材料です。シリコンと同様に、GaNはダイオードやトランジスタなどの半導体デバイスの製造に使用できます。GaNトランジスタの開発は、シリコン トランジスタの代替としてパワー エレクトロニクス業界で特に注目されています。トランジスタとして、GaNは重要な領域でシリコンよりも大きな利点を示し、電源メーカーは効率を大幅に向上させると同時に、デバイスのサイズと重量を削減できます。
GaNはどのように効率を向上させるのでしょうか?
パワートランジスタは、スイッチング電源における電力損失の主な原因の1つです。トランジスタの損失は、一般的に伝導とスイッチングの2つのカテゴリに分けられます。伝導損失は、トランジスタがオンのときに電流が流れることによって発生する損失であり、スイッチング損失はオン状態とオフ状態間の遷移時に発生します。
オンのとき、GaNトランジスタ (シリコン製のトランジスタなど) はドレインとソース間の抵抗 (Ronと呼ばれることが多い) に似ており、伝導損失はこの抵抗に比例します。GaNおよびその他のWBG材料の主な利点は、破壊電圧とRonの関係です。図1は、シリコン、GaN、および別のWBG材料であるシリコンカーバイド (SiC) に関するこの関係の理論的な限界を示しています。特定のブレークダウン電圧では、WBGデバイスのRonはシリコンよりもはるかに低く、3つの中でGaNが最も低いことがわかります。シリコンは理論上の限界に近づいており、Ronの改善を継続するにはGaNやその他のWBG材料の使用が必要になります。
図1: Si、GaN、SiCトランジスタのRonとブレークダウン電圧の理論的限界
GaNの使用により、伝導損失の改善に加えて、スイッチング損失も削減されます。スイッチング損失に寄与する要因は複数ありますが、そのうちのいくつかはGaNの使用によって改善されます。損失のメカニズムの1つは、図2に示すように、ドレイン - ソース電圧が低下し始める前にトランジスタの電流が流れ始めるという事実から生じます。この間、損失 (電圧 - アンペア積に等しい) は非常に大きくなります。スイッチがオンになる速度を上げると、この遷移中に発生する損失が削減されます。GaNトランジスタはシリコン トランジスタよりも高速にオンにできるため、この遷移によって発生する損失を削減できます。
図2: スイッチング遷移時のドレイン電圧と電流の波形
GaNがスイッチング損失を削減するもう1つの方法は、ボディ ダイオードがないことです。短絡状態を回避するために、ハーフブリッジの両方のスイッチがオフになっている期間が存在します。これを「デッドタイム」と呼びます。この期間中、電流は流れ続けますが、両方のスイッチがオフになっているため、電流はボディダイオードを通過します。ボディダイオードは、オンのときのシリコントランジスタのRon抵抗よりもはるかに効率が低くなります。GaNトランジスタにはボディダイオードはありません。シリコン トランジスタのボディ ダイオードを流れる電流は、代わりにRon抵抗を流れます。これにより、デッドタイム中に発生する損失が大幅に削減されます。
シリコン トランジスタのボディ ダイオードはデッドタイム中に導通するため、他のスイッチがオンになるとオフにする必要があります。この間、ダイオードがオフになると電流が逆方向に流れ、追加の損失が発生します。GaNトランジスタでは、ボディダイオードが存在しないため、逆回復損失はほぼゼロになります。
GaNはフォームファクターをどのように低減するのでしょうか?
スイッチング損失はスイッチング期間内の短い期間に発生しますが、時間の経過に伴って平均化して見ると便利です。単一のスイッチング遷移中の損失は大きくなる可能性がありますが、スイッチ間の時間間隔が長い場合（つまり、スイッチング周波数が低い場合）、平均値を安全なレベルに保つことができます。GaNではスイッチング損失が低いため、スイッチ間の時間を短縮でき、スイッチング周波数を高めることができます。スイッチング周波数の増加により、多くの大型コンポーネント (トランス、インダクタ、出力コンデンサなど) のサイズを縮小できます。
GaNやその他のWBGデバイスは熱伝導率が優れており、シリコンよりも高い温度に耐えることができます。どちらも、かさばるヒートシンク、フレーム、ファンなどの熱管理コンポーネントの必要性を減らすのに役立ちます。これらのデバイスがなくなったことで（前述のパワートレイン コンポーネントの小型化と合わせて）、電源装置の全体的なサイズが大幅に縮小されました。
GaNデスクトップ電源アダプタ
CUIの最新デスクトップ アダプタ シリーズでは、GaNの採用により、効率の向上、サイズの縮小、重量の軽減がすべて実現されています。例えば、CUIの SDI200G-Uデスクトップアダプタ スイッチング周波数の向上によりサイズが半分以下に縮小され、電力密度が5.3 W/in3から11.4 W/in3に増加しました (下の図3を参照)。これにより、重量も32%（820gから560g）削減されました。また、伝導損失とスイッチング損失を削減することで、アダプタは最大95% の効率を実現します。これらのGaNデスクトップ アダプタは、従来のシリコンベースの電源に比べて、効率、サイズ、重量が大幅に改善されています。
図3: SiベースとGaNベースのアダプタフォームファクタの比較
結論
電源メーカーは常に、自社製品の効率と電力密度を高める方法を模索しています。長年にわたる成果の多くは、電源装置内部で使用されるシリコン スイッチの改良によるものです。しかし、シリコンが物理的限界に達すると、メーカーは改善策を他に求めなければならなくなりました。GaN (損失が少なく、スイッチングが高速) を使用すると、製造業者はシリコンの限界を超え、より小型で効率的な電源を設計できると同時に、GaNの開発が進むにつれて改善の余地が残ります。これらの改善点は、CUIの最新世代のGaNベース アダプタで直接確認できます。