RFおよび自動車アプリケーション用のGaN FETの選択方法

投稿日九月 13, 2021
更新日七月 1, 2024

すべての電子機器には、ある程度の電力変換、調整、およびコンディショニングが必要ですが、高度な技術の議論の最前線に効率的な電力に関する話題がこれまで以上に出てきています。電力供給と変換に関する考慮事項は、以前はノイズや熱を中心に展開されていましたが、今日ではこれらの考慮事項は、高度なシステムのためのテーラーメイド戦略に焦点を当てています。電力変換のニーズがある場合はいつでも、これがデバイスの信頼性にとって重要であるため、可能な限り低い熱放散を確保する必要があります。

無線システムは、電力増幅器および送信機段階で最小限の電力放散で非常に高い電力効率が必要な領域の1つです。2019年に新しいスマートフォンの5Gモデムが夏の天候の熱でシャットダウンするというニュースで、業界はRFシステムの熱管理問題に直面しました。これは、電力管理とRF電力供給の両方の観点からです。今日、自動車の電力管理システムは同様の課題を抱えており、電力供給と調整のための正しいコンポーネントと革新的なソリューションが必要です。

GaN FETは、非常に高い電力限界、高周波限界、およびSiCまたはSi基板への高熱伝導率のおかげで、両方の領域でソリューションを提供します。GaN FETは現在、多くのモデルが主要なディストリビューターから入手可能になっており、より一般的になっています。問題は、GaN FETをどのように選択し、自動車対RFシステムで考慮すべき重要な仕様は何かということです。このガイドでは、これらの重要なポイントのいくつかを検討し、各タイプのシステムに理想的な例示コンポーネントをいくつか示します。

GaN FETを使用する理由は？

この質問は、自動車システムとRFデバイスのGaN FETを選択するために使用される重要な基準に関するものです。GaN FETは高電子移動度トランジスタ（HEMT）であり、その優れた材料およびデバイス特性により、自動車の電力システムおよびRFデバイスのより高度なアプリケーションに理想的です。ある意味で、これらの二つの領域は一般的に電力変換で収束します。これらの電力システムは高いスイッチング周波数、高出力電流、そしてしばしば高電圧で動作します。

GaN FETの以下の材料特性は、RFおよび自動車の電力エレクトロニクスにおいて重要な利点を提供します：

耐圧：GaNはSiよりも高い耐電圧電場を持っています（Siの約15倍）、したがってGaNデバイスは同じサイズのSi MOSFETよりも高い電圧で動作できます。
電子移動度：GaNの電子移動度はSiよりも高いため、同じR_ON抵抗を持つSiトランジスタよりも物理的に小さいGaNトランジスタが可能です。
熱伝導率：GaNはSiよりも高い熱伝導率を持っています（約2倍）、したがって基板またはヒートシンクに熱をより効率的に放散できます。
容量：GaN FETの入力間の容量は、二つのデバイスがおおよそ同じ物理サイズを持つ場合、Si MOSFETのそれよりも小さいです。

GaN FETには2つの一般的な種類があります：Si上に成長したものとSiC上に成長したものです。SiCの熱伝導率はGaNの約170％であるため、SiC上にGaNを異方性エピタキシャル成長させたGaN FETは、高出力アプリケーションで好まれます。スイッチングアプリケーション、例えば高出力スイッチングレギュレーターの場合、より低い容量とより小さいR_ON値が可能となり、数ナノ秒のオーダーで非常に高速な電力供給が可能になります。

GaN FETの出力容量とスイッチング特性の例。これらのコンポーネントを高速スイッチング時の寄生インダクタンスにより、低負荷に接続した際にわずかなリンギングが観測されることがあります。

これらの特性は、GaN FETを一般的に高周波数と高出力で同時に動作させることができることを意味します。これらは、RFおよび自動車アプリケーションの電力エレクトロニクスに必要な両方です。自動車での主な懸念は、電気機械システム（モーター）への電力調整と供給ですが、RFシステムでは、トランシーバーとパワーアンプへの高効率電力調整と供給が懸念されます。電力変換の他のアプリケーションでは、同じ特性が利点を提供すると主張できるかもしれません。例えば、今後のクリーンエネルギーシステムは、RFシステムからヒントを得て、電力変換およびエネルギー貯蔵の充放電に使用される同じトポロジを実装できます。

この時点で、高度な自動車およびRF電力システムでのGaN FETの主な動作要件を見るために、多相電力変換についてもっと深く掘り下げましょう。

高周波電力変換

電力変換における「高周波」と言う場合、一般的にPWMドライバーまたは、より珍しいPFMドライバーのスイッチングコンバーターで使用されるスイッチング周波数を指します。スイッチングコンバーターに精通している場合、駆動部品が状態間をより速く切り替えることができる（上昇時間が短い）場合、MOSFETのスイッチング損失を減らすことができることを知っているでしょう。さらに、より高い変調周波数で動作できるMOSFETは、出力電圧/電流のリップルを低減し、特定のリップル目標を達成するために必要なインダクターを小さくすることでシステムサイズを縮小することもできます。

適切なサイズのGaN FETは、ピーク過渡電圧、過渡電流、およびスイッチング時間の仕様が特定のスイッチング周波数に対してバランスを取ることができる限り、これらの要件を満たすことができます。これら3つの仕様が妥協できない場合、コンバーターは複数の段階を並列に、しかし等相で分離して動作する多相構成で実行できます。この方法では、コンバーターはより高周波のコンバーターを模倣します。各段階では、必要に応じて非常に高い電流を供給するために複数のGaN FETの並列配置が使用されることがあります。

多相スイッチングコンバータのトポロジーの例です。これについては私の最近の記事の一つで詳しく読むことができます。

このように多相運転を行う場合、各段階の出力部分において慎重な部品選択が必要です。RFシステムの場合、これらの設計は約10MHz以上の非常に高い周波数まで動作するべきです。この選択、および出力フィルタリングと制御段階は、ベースバンド信号によって出力電圧/電流波形に課されたエンベロープに従って出力電力が追従するように使用できます。異なる段階間の望ましくないリンギングや振動を防ぐために、MOSFETが同時に電流を供給するインフェーズ並列配置と同様に、通常は高電圧ダイオードが使用されます。このタイプの設計におけるコントローラーとドライバー段階は、GaN FETを十分に変調できるように、また運用中の過電圧やドロップアウトを補償するための制御ループ内で動作するように慎重に選択する必要があります。

重要な仕様

ここで概説された重要なアプリケーション領域について、設計と部品選択中に注意を払うべき4つの主要な仕様があります：

ピークドレイン・ソース電圧（DCおよび過渡）：これらの値は、スムーズなオン時のDC電力供給、または高速オンのスイッチング要素としての調整に必要です。過渡ピーク電圧は特定のパルス時間に対して指定されます。
ピーク電流（DCおよび過渡）：ピーク電圧値と同様に、過渡値は出力パルスの長さに対応する特定のパルス時間で指定されます。
ゲート電圧：典型的なゲート電圧は部品データシートに記載されていますので、適切なゲートドライバーでGaN FETを駆動できるようにこれらを確認してください。典型的なゲート電圧は、高電流処理能力を持つ約500-600V DCピークのGaN FETに対して、10から20Vの範囲になります。
動的スイッチング時間：これらの仕様には、オン遅延、立ち上がり時間、およびボディダイオードの逆回復時間が含まれます。GaN FETの場合、これらの値はシステムの低負荷容量のおかげで10-100nsの範囲です。
入出力容量：デバイスの入出力ポートにおける寄生容量も重要です。これは誘導負荷との相互作用を決定し、負荷の抵抗が低い場合にはスイッチングノード上の遷移を過小減衰リンギングに導く可能性があります。通常、小さな抵抗を追加することで、スイッチングノード上の任意の遷移を臨界減衰するのに十分です。

誘導負荷を駆動する際には、GaN FETを含むあらゆるパワーMOSFETの入力および出力容量に注意してください。特に、フィードバックループと制御アルゴリズムを通じてスイッチングノードでのリンギングを単に調整できると考えないでください。ゲートドライバICは、高速なMCUやFPGAで制御を実装していない限り、このリンギングを補償することはできません。これは過度にコストがかかります。代わりに、これらのデバイスを高周波で動作させ、より小さいインダクタを使用することができます。これにより、リップル目標を達成するのに依然として役立ちます。

GaN FETとゲートドライバの例

Nexperia, GAN063-650WSAQ

NexperiaのGAN063-650WSAQは、汎用のGaN FETの優れた例です。このコンポーネントは、最大20Vのゲート電圧でスイッチングし、57nsの高速オン時間（10nsの出力立ち上がり時間）を持っています。ゲート電圧が10Vのみの場合、このFETはDCで34.5Aを提供し、10マイクロ秒未満の高速パルスで150Aのピーク過渡電流を持ちます。室温でのオン状態抵抗はわずか50mOhmsで、175°Cで最大120mOhmsまで上昇します。このコンポーネントのピークDCドレイン-ソース電圧は650Vに達します。出力ドレイン電流特性は以下に示されています。

GAN063-650WSAQ GaN FETのドレイン電流。[出典: GAN063-650WSAQデータシート]

Infineon, 2EDN7524FXTMA1

Infineonの2EDN7524FXTMA1は、GaN FETと使用できるゲートドライバICです。このコンポーネントは、5nsの高速スルーレートと17nsの伝搬遅延を提供し、RFシステムのスイッチングレギュレータでの高速GaNスイッチングに役立ちます。このコンポーネントは、デジタルコントローラASICとインターフェースできるデュアルチャネルドライバです。出力電圧は最大20Vに達し、典型的な立ち上がり時間は5.3nsです（最大10ns、負荷容量1.8nF、ドレイン電圧12V）。

2EDN7524FXTMA1 GaN FETドライバICの例示的なアプリケーション回路。[出典: 2EDN7524FXTMA1データシート]

GaN FETを使用したシステムのその他のコンポーネント

GaN FETは、RFパワーシステムや自動車用パワーシステムの電力調整および供給において重要な構成要素の一つです。しかし、信頼性の高い電力調整を確保するためには、システムを構築するための他のコンポーネントが必要になります。これらのシステムに必要なその他のコンポーネントには以下のものが含まれます：

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