新エネルギー電気自動車（NEV）の開発動向に伴い、高出力充電の需要がますます高まり、高出力密度、高性能、高スイッチング周波数をサポートする窒化ガリウム電界効果トランジスタ（GaN FET）が市場で人気のある製品の選択肢となっています。一方、市場には電池を使用するツールやデバイスが数多く存在します。バッテリーの動作の安全性と効率を向上させ、バッテリーの寿命を延ばすためには、バッテリーの絶縁に高効率MOSFETを使用する必要があります。この記事では、GaN FETと効率的なバッテリー分離技術の開発、およびNexperiaが紹介するGaN FETと専用バッテリー分離MOSFETの製品特性について紹介します。
GaNパワーテクノロジーは効率的な電力変換の需要を満たす
今日の産業用アプリケーションが直面している主な課題の1つは、電力損失を削減することです。CO2 排出量の削減を求める社会からの圧力が高まり、政府の法律が強化される中、多くの業界では、自動車の電動化、通信インフラ、サーバーストレージ、産業オートメーションなど、より効率的な電力変換と電動化の強化に投資しており、電気・電子製品の使用が大幅に増加しています。これにより、窒化ガリウム (GaN) 技術に基づく効率的で革新的な高出力電界効果トランジスタ (FET) の需要が高まります。
半導体業界では、パワーデバイスの革新は主に電力変換効率の向上によって推進されています。GaNテクノロジーは、幅広いテクノロジーにおいて、シリコン (Si) およびシリコンカーバイド (SiC) ソリューションよりも優れたパフォーマンスを発揮します。具体的には、GaN FETは、システムコストを抑えながら最適な効率を提供し、システムを軽量、小型、低温にします。パワーGaNトランジスタ、特にGaN-on-Siデバイスの導入以来、パフォーマンス、信頼性、コスト、可用性が大幅に向上し、より強力なGaNパワー トランジスタを使用してより高い電力を駆動できるようになりました。
GaNは電子移動度が非常に高いため、オン抵抗が低く、スイッチング周波数が非常に高いデバイスを作成できます。これらの利点は、電気自動車 (EV) や再生可能エネルギーアプリケーションなどの次世代電力システムにとって非常に重要であり、データセンター、通信インフラストラクチャ、および産業におけるアプリケーションに適しています。
高品質で非常に堅牢な高出力GaN FET
次世代NEV向けに設計されたモーター ドライブ/コントローラーでも、最新の5G通信ネットワーク向けに設計された電源でも、NexperiaのGaN FETは高出力性能と高周波スイッチングを提供し、ソリューションの鍵となります。これらのノーマリーオフGaN FET製品の設計と構造により、低コストの標準ゲート ドライブを設計に使用できるようになります。
NexperiaのカスコードGaN FETは、高電力密度、高性能、高スイッチング周波数を提供し、よく知られているSi MOSFETゲート ドライブを使用して簡単に駆動できる独自のソリューションです。さらに、市場の他のソリューションとは異なり、比類のない高い接合温度（Tj [max] 175° C）、設計の自由度、電力システムの信頼性の向上を実現します。
NexperiaのGaN FETポートフォリオは、CCPAKおよびTO-247パッケージで提供されます。Nexperiaは、高品質で非常に堅牢なSMDパッケージの製造において20年近くの経験を持っています。CCPAKは、真に革新的なパッケージングで業界をリードするパフォーマンスを提供します。ワイヤボンドが不要で、熱性能と電気性能が最適化されており、カスコード構成による簡素化された設計により、複雑なドライバやコントロールが不要です。
Nexperiaが使用するCCPAKパッケージのGaN FET製品は、業界標準パッケージよりも3倍低いインダクタンスを特徴とする革新的な銅クリップ パッケージ技術を採用しており、ワイヤボンド ソリューションに比べてスイッチング損失とEMIが低く、信頼性が高くなります。最適な冷却のために、Rth(j-mb) typical (<0.5 K/W) が低く、優れた熱性能を備えています。温度サイクル信頼性のための柔軟なリード、堅牢なボードレベルのための柔軟なガルウィングリード、およびSMDはんだ付けおよびAOIとの互換性により、製造性と堅牢性を実現します。冷却オプションには、底面冷却 (CCPAK1212) と上面冷却 (CCPAK1212i) の2つがあり、設計の柔軟性が向上し、放熱性がさらに向上します。AEC-Q101、MSL1仕様に準拠しており、ハロゲンフリーデバイスです。現在、主力製品には650V、33mΩに対応したGAN039-650NBB、GAN039-650NBBA、GAN039-650NTBがあり、これら3つのGaN FETはCCPAKにパッケージ化されています。
さらに、Nexperiaのパッケージの専門知識と業界標準のTO-247を組み合わせることで、比類のない信頼性で最も要求の厳しいアプリケーションを満たす、高品質で非常に堅牢なGaN FET製品が生まれます。TO-247パッケージのNexperiaのGaN FET製品は、高性能 (効率99% 以上)、低い動的特性、逆導通時のWBG損失が最も低く、優れたソフト スイッチング性能を備えており、駆動が非常に簡単で、0 ～ 12 Vのゲート ドライブをサポートします。TO-247パッケージのGaN FET製品ラインには、650 Vおよび35 mΩ をサポートするGAN041-650WSBと、650 Vおよび50 mΩ をサポートするGAN063-650WSAが含まれます。
高エネルギー密度バッテリーには効率的なバッテリー絶縁が必要
ここ数年、比較的軽量で使いやすい、パワーとバッテリー寿命のバランスが取れたバッテリー駆動のコードレス工具や屋外用電動機器が急速に開発されてきました。このトレンドを推進する主な要因の1つは、長寿命の10セル36Vリチウムイオン バッテリー パックの登場です。このバッテリー パックはエネルギー密度が高いため、プロ用ツールや、チェーンソーや芝刈り機などのエンジン駆動の屋外用電気機器を含む従来のコード付き機器に適しています。しかし、エネルギー密度が増大したため、効率的なバッテリー絶縁がさらに必要になっています。
これらの手持ち式およびバッテリー駆動のツールや機器は、マルチセルのリチウムイオン バッテリー パックを使用しており、高エネルギー密度という利点がある一方で、障害状態では大量の制御不能なエネルギー放電が発生する可能性があり、負荷の過熱や回路火災の可能性があるという問題があります。バッテリーは安全に隔離する必要があり、システムの電源をオフにする前に大量の放電を制御された方法で処理する必要があるため、非常に堅牢で熱効率の高いMOSFETが必要です。
標準的なMOSFET電圧定格では、設計者は36Vバッテリーに60V MOSFETを使用します。ただし、公称定格36Vの場合、50Vまたは55Vを使用するMOSFETが理想的です。MOSFETの電圧定格を下げると、安全動作領域 (SOA)、ドレイン電流 (ID) 定格、アバランシェ耐量を最適化できるようになり、全体的な安全性と効率が向上します。
バッテリー絶縁MOSFETは通常、高電流時に回路インダクタンスの両端に発生する電圧によって深放電が発生すると、線形モードになります。したがって、安定したSOAを維持することが不可欠です。さらに、バッテリー絶縁MOSFETは通常、負荷から離れた場所に配置され、クランプされていない誘導スパイク (UIS) が発生する可能性があります。VDS 電圧 (50V) を最適化してバッテリー電圧 (36V) に近づけると、消費電力が少なくとも20% 削減され (60 VDS の部品と比較して)、潜在的な障害を回避できます。一般的なアプリケーションは過酷な環境で動作することが多いため、雪崩が発生する可能性が高くなります。
バッテリー絶縁のニーズに応えて、Nexperiaは、必要なSOAと堅牢性を提供するとともに、全体サイズ5 x 6 mmで大幅に改善された効率と高い定格電力を備えた新しい50/55V専用MOSFETを発表しました。さらに、NexperiaのMOSFET技術は優れたSOA機能を提供し、50/55V ASFET (特定用途向けFET) を使用して1 msから10 msの放電性能を最適化します。一例として、PSMN1R5-50YLHは、最大1 msで40Vで最大5Aの放電を処理する製品です。一方、NexperiaのPSMN1R5-50YLHは、単相アバランシェ定格 (EAS) が2000 mJ (25A電流時) の最適化されたアバランシェ機能を備えており、このようなイベントに繰り返し耐えることができます。
これらの専用50/55V ASFETのリリースにより、Nexperiaは36Vバッテリー システム専用の50V定格MOSFETを提供する最初の企業の1つになりました。この製品は、良好なRを維持しながら、SOA、ID定格、アバランシェ耐性に最適化されています。 DS(オン)設計者に非常に安定したバッテリー絶縁ソリューションを提供します。この製品は、DCバッテリー定格200A、計算上のシリコン制限312Aで業界をリードするパフォーマンスを提供し、Nexperiaの成熟したバッテリー絶縁ASFETポートフォリオに基づいて構築されています。
高負荷電流に対応する36Vバッテリー駆動の強化MOSFET
Nexperiaのバッテリー絶縁用ASFETポートフォリオは、複数のバッテリー駆動デバイス向けに特別に設計されており、最も堅牢なLFPAKパッケージ デバイスに最適です。障害が発生した場合、障害によって深放電が発生すると、高電流での回路インダクタンスによって電圧が発生するため、バッテリー分離MOSFETは通常、線形モードに入り、強化されたSOA MOSFETは、スイッチがオフになるまで安全かつ制御可能な状態で動作を継続し、バッテリーを負荷回路から完全に分離します。
低R DS(オン) 通常動作中に低い伝導損失を達成することが求められますが、安全なバッテリー絶縁を実現するにはパラメータを最適化する必要があります。この堅牢なバッテリー絶縁MOSFETは、デバイス承認のための主要な保護として使用でき、低Vを必要とするアプリケーションに適しています。 t バッテリー保護ICのゲート駆動能力は2 ～ 3Vしかない場合があるためです。
PSMN1R5-50YLHに加えて、NexperiaのASFETポートフォリオには、LFPAK88パッケージを使用するNチャネル40V、0.7 mΩ、425Aロジック レベルMOSFETのPSMNR70-40SSH、SOT1023Aパッケージを使用するNチャネル40V、1.1 mΩ、280Aロジック レベルMOSFETのPSMN1R0-40ULD、およびLFPAK56Eパッケージを使用するNチャネル25V、0.57 mΩ、380Aロジック レベルMOSFETのPSMNR51-25YLHが含まれます。
NexperiaのPSMN1R5-50YLHは、36Vバッテリーの効率的な絶縁アプリケーション向けに開発された、LFPAK56Eパッケージを使用したNチャネル、50V、1.7 mΩ、200 Aの連続電流およびロジック レベル ゲート ドライブ強化MOSFETです。バッテリー絶縁およびDCモーター制御シリーズ向けASFETポートフォリオの一部として、Nexperia独自の「SchottkyPlus」テクノロジが使用され、ショットキーまたはショットキーのようなダイオードを統合したMOSFETに通常伴う高効率スイッチングと低スパイク性能を実現しますが、問題となる高リーク電流はありません。ASFETは、強力なアバランシェ機能、リニア モード性能、高いスイッチング周波数、高負荷電流での安全で信頼性の高いスイッチングを必要とする36Vバッテリ駆動アプリケーションに特に適しています。
PSMN1R5-50YLHは、36V (公称) のバッテリー駆動アプリケーション向けに最適化されています。LFPAK56Eパッケージは、極めて高い信頼性、最適なはんだ付け、およびはんだ接合部の容易な検査を備えた、低応力の露出リード フレームを使用しています。低パッケージインダクタンスおよび低抵抗のほか、高ID(max) 定格の銅クリップおよびはんだダイアタッチにも使用できます。175°Cで動作し、アバランシェ定格をサポートし、特に高スイッチング周波数で100% テスト済みです。QG、QGD、QOSSが低い場合でも効率的です。
PSM R5-50YLHには、ソフトボディダイオードリカバリを備えた超高速スイッチが搭載されており、スパイクとリンギングを低く抑えることができます。低EMI設計に推奨されます。VGS(th) 定格が狭いため、並列接続が容易になり、電流共有が向上します。非常に強力な線形モード/SOA特性を備えており、高電流条件下でも安全かつ確実にスイッチングできます。PSMN1R5-50YLHは、サーバー電源、バッテリ保護およびバッテリ管理システム (BMS)、負荷スイッチング、10セル リチウムイオン バッテリ アプリケーション (36V - 42V) などの高出力AC-DCアプリケーションのブラシレスDCモータ制御および同期整流器に適用できます。
結論
主要なEVおよび産業用アプリケーションにおいて、GaN FETはオンボード充電、DC-DCコンバータ、トラクションインバータ、ソーラー（PV）インバータ、ACサーボドライブ/インバータ、バッテリーストレージ/UPSインバータなどで優れた性能を発揮します。NexperiaのGaN FETポートフォリオは、CCPAKおよびTO-247パッケージで提供されます。これらは、さまざまな高出力アプリケーションのニーズを満たす、高品質で非常に堅牢なGaN FET製品です。
さらに、バッテリー駆動のデバイスがますます多く使用されるようになると、より高い電力密度を提供し、小さなフォームファクタを維持することが必要になります。そのため、高出力密度のリチウムイオン電池パックの需要が高まっていますが、同時に電池の安全性と堅牢性を維持することが必要です。したがって、バッテリー絶縁MOSFETが重要な役割を果たします。ここで紹介するNexperiaのGaN FETとバッテリー分離MOSFETは、高い性能と効率を特徴としており、バッテリー駆動型デバイスに最適なパートナーであり、さらに理解を深めて採用する価値があります。