GaN：電力密度の限界を押し上げると同時に、効率も向上
エネルギー使用量の低減とフットプリントの小型化を通じて、設計の迅速化とシステムの低発熱化を実現
窒化ガリウム (GaN) の特長
GaN (窒化ガリウム) はワイド バンドギャップ半導体の 1 つであり、従来型のシリコン MOSFET (metal-oxide semiconductor 電界効果トランジスタ) や IGBT (絶縁型ゲート バイポーラ トランジスタ) に比べて、電力密度と効率を高めることができます。GaN は、シリコン単独のソリューションより効率的に電力を処理する方法で、パワー コンバータの電力損失を 80% 低減し、追加の冷却部品のニーズを最小化することができます。より多くの電力をより小規模なスペースで実現できるため、GaN を採用すると、より小型かつ軽量のシステムを設計できます。
GaNがパワー マネージメントの変化を推進する3つの理由
より高い電力密度とエネルギー効率を必要とするアプリケーションが増加する中、窒化ガリウム (GaN) は、シリコンの代わりに利用されています。
TI の GaN 技術の利点
ディスクリート GaN FET より高速なスイッチング速度
ドライバを内蔵した TI の各種 GaN FET は、150V/ns のスイッチング速度 (スルーレート) を実現できます。これらのスイッチング速度と低インダクタンスのパッケージを組み合わせると、損失の低減、クリーンな (ノイズの少ない) スイッチング、リンギングの最小化を実現できます。
磁気素子の小型化、電力密度の向上
TI の各種 GaN デバイスを採用すると、スイッチング速度 (スルーレート) を高め、500kHz 超過のスイッチング周波数を実現することができます。その結果、磁気素子の最大 60% 小型化、性能の向上、システム コストの削減が可能になります。
信頼性を重視して製作済み
TI の各種 GaN デバイスは、独自の GaN on Si (ノーマリー オフかつ安価なシリコン ウェハー上に GaN 回路を形成するので、高額なサファイア ウェハーが不要) プロセスを通じ、高電圧システムの安全性を維持できる設計を採用しており、信頼性試験で 4,000 万時間を上回る長さを達成しているほか、複数の保護機能も搭載しています。
専用の設計ツールとリソース
TI の GaN 設計リソースを活用すると、開発期間を短縮できます。該当するのは、電力損失カリキュレータ、回路シミュレーション向けの各種 PLECS モデル、より規模の大きいシステム内でのテストと動作に適した評価ボードなどです。
パワー エレクトロニクスの次の革新がここにあります
TI の GaN は、開発中高電圧システムの革新に貢献します。TI の GaN 技術を活用し、高電圧電力変換設計の市場投入期間を短縮すると同時に、システム コストと環境への影響を低減する方法をご確認ください。
主なアプリケーションの概要
TI の GaN 技術を採用し、96.5% の合計エネルギー効率と 100W/ 平方インチ (6.10W/ 平方 cm) の電力密度を実現して、80Plus® Titanium の規格に対応
TI の各種 GaN デバイスを採用すると、ストレージ、クラウド・ベースのアプリケーション、集中型の計算能力などをサポートするテレコム・システムとサーバー・システムを設計しやすくなります。エネルギー効率に関する設計要件に適合しやすくなるように、TI の各種デザインは 80Plus® Titanium の規格を満たしており、99% を上回る力率補正 (PFC) 効率を実現します。
利点
- トーテムポール・ブリッジレス PFC トポロジで GaN を採用すると、99% を上回る効率を実現可能
- 絶縁型 DC/DC コンバータで 500kHz を上回るスイッチング周波数を使用し、磁気素子のサイズ縮小に寄与
- 統合型ゲート・ドライバは寄生損失の低減に役立ち、システム・レベルの設計難易度が低下
主なリソース
- PMP20873 – 効率 99% の 1kW GaN ベース CCM トーテムポール力率補正（PFC）コンバータのリファレンス・デザイン
- TIDA-010062 – 1-kW, 80+ titanium, GaN CCM totem pole bridgeless PFC and half-bridge LLC with LFU reference design
- LMG3422R030 – ドライバ、保護機能、温度レポート機能を内蔵した、600V、30mΩ の GaN FET
- LMG3422R050 – ドライバ、保護機能、温度レポート機能を内蔵した、600V、50mΩ の GaN FET
- LMG3411R150 – ドライバとサイクルごとの過電流保護機能内蔵、600V、150mΩ GaN
TI の GaN 技術を採用すると、双方向 AC/DC 電力変換システムで 1.2kW/L を上回る電力密度を実現可能
TI の GaN デバイスは、より小型でより効率的な AC/DC 間のインバータと整流器、また DC/DC インバータの設計に役立ちます。その結果、ソーラー・エネルギーや風力エネルギーを電力に変換するシステムを開発できます。GaN 対応の双方向 DC/DC 変換を活用すると、エネルギー ストレージ システムをソーラー インバータに統合し、グリッドへのエネルギー依存率を低減することができます。
利点
- 既存の AC/DC コンバータや DC/DC コンバータに比べて 3 倍の高さの電力密度 (1.2kW/L 超過) と重量軽減。
- 140kHz に対応できる GaN のスイッチング特性を活用すると、電力密度を SiC FET より 20% 高めることが可能
- 2 レベルの SiC トポロジに比べると、より低コストの磁気素子を採用できるので、システム全体のコストでパリティ (同等) を実現可能
主なリソース
- TIDA-010210 – GaN ベース、11kW、双方向、3 相 ANPC (アクティブ中性点クランプ型) のリファレンス・デザイン
- LMG3422R030 – ドライバ、保護機能、温度レポート機能を内蔵した、600V、30mΩ の GaN FET
- LMG3522R030-Q1 – 車載、ドライバと保護機能と温度レポート機能を内蔵、650V、30mΩ の GaN FET
- LMG3422R050 – ドライバ、保護機能、温度レポート機能を内蔵した、600V、50mΩ の GaN FET
TI の GaN 技術を採用すると、バッテリ・テスタ・システムでチャネル密度の向上や AC/DC コンバータのサイズ縮小を実現可能
ゲート・ドライバを内蔵した TI の各種 GaN FET を採用すると、AC/DC 電源のサイズを縮小できます。TI の各種 GaN デバイスは MOSFET や SiC FET より高いスイッチング周波数で動作するので、試験機器のチャネル密度を大幅に高めると同時に、電源の過渡応答時間を短縮することができます。
利点
- トーテムポール・ブリッジレス PFC トポロジで GaN を採用すると、99% を上回る効率を実現可能
- DC/DC 段で 200kHz を上回るスイッチング周波数を使用できるので、充電から放電までの遷移を 1ms 以内に短縮可能
- 統合型ゲート・ドライバは寄生損失の低減に役立ち、システム・レベルの設計難易度が低下
主なリソース
- TIDM-02008 – Bidirectional high density GaN CCM totem pole PFC using C2000™ MCU
- PMP40690 – C2000™ マイコンと GaN を使用する 4kW インターリーブ CCM トーテムポール・ブリッジレス PFC のリファレンス・デザイン
- LMG3422R050 – ドライバ、保護機能、温度レポート機能を内蔵した、600V、50mΩ の GaN FET
- LMG3410R070 – ドライバと保護機能内蔵、600V、70mΩ の GaN
TI の GaN 技術を採用すると、電気自動車 (EV) で高い電力密度を実現可能
ハイブリッド車 (HV) や電気自動車 (EV) の次世代オンボード・チャージャ (OBC) や高電圧から低電圧への変換を行う DC/DC コンバータで GaN パワー・デバイスを採用すると、スイッチング周波数を高くし、磁気素子のサイズを小型化することができます。スイッチング周波数の上昇と小型化を通じて、シリコン・ベースや SiC ベースの OBC (オンボード・チャージャ) より高い電力密度を実現できます。
利点
- 3.8kW/L の電力密度で、同じ体積の SiC より多くの電力を供給
- CLLLC 構成で 500kHz を上回るスイッチング周波数、PFC で 120kHz
- システム・レベルの全体効率は 96.5%
- ゲート・ドライバ内蔵により、システム・レベルの設計が簡素化
主なリソース
- LMG3522R030-Q1 – 車載、ドライバと保護機能と温度レポート機能を内蔵、650V、30mΩ の GaN FET
- POWERSTAGE-DESIGNER – 最も一般的に使用されるスイッチ・モード電源向けの Power Stage Designer™ ソフトウェア・ツール
TI の各種 GaN デバイスを採用すると、HVAC (エアコン) や家電製品で、PFC 電力段の電力効率の向上とフォーム・ファクタの小型化を実現可能
EN6055 のような新しいエネルギー規格を満たすには、HVAC (エアコン) システムは力率補正 (PFC) 電力段を採用する必要があります。GaN 電力段は、IGBT (絶縁型ゲート・バイポーラ・トランジスタ) より高い効率を実現し、磁気部品の小型化、ヒートシンクのサイズ縮小、合計システム・コストの削減に役立ちます。
利点
- 最大 60kHz の高いスイッチング周波数に対応し、磁気素子のサイズ小型化が可能
- スイッチング損失が低下し、電源段で 99% を上回る効率を達成可能
- 素子サイズの小型化と冷却能力の縮小が可能なので、設計サイズの小型化とコスト削減が自動的に達成可能
主なリソース
- TIDA-010203 – C2000 と GaN を使用する 4kW 単相トーテムポール PFC のリファレンス・デザイン
- TIDA-010236 – 家電製品向け 4kW GaN トーテム ポール PFC のリファレンス デザイン
- LMG3422R030 – ドライバ、保護機能、温度レポート機能を内蔵した、600V、30mΩ の GaN FET
- LMG3422R050 – ドライバ、保護機能、温度レポート機能を内蔵した、600V、50mΩ の GaN FET
他のお客様の成功事例
TI の GaN 技術について複数のお客様からどのような声が寄せられているのか、また、高電圧設計の小型化、信頼性、効率を向上させるうえでどのように役立つのか、詳細をご覧ください。
Chicony Power
「GaN は、電源設計に目覚ましい変化をもたらします。優れた高周波スイッチング特性や、より小さい導通インピーダンスという特長は、効率の向上と電源製品のサイズ縮小につながる重要な要因であり、電源製品の消費エネルギーと使用原材料の大幅な削減につながり、Chicony Power のグリーン設計というコンセプトの好機拡大に役立っています」。
- Yang Wang 氏 | Chicony Power、研究開発担当バイス プレジデント
LITEON
「新世代のハイエンド サーバー向け電源を開発する際に、LITEON は最高の研究開発チームと非常に高度な素材技術を活用してこの課題に取り組みました。LITEON は、TI の GaN ソリューションの活用を通じて、一歩先を行く成果を達成し、データ センターの省エネルギー要件に対応しています。
- Todd Lee 氏 | LITEON Technology、研究開発シニア ディレクター、クラウド インフラ プラットフォームとソリューション担当
Delta
高効率のパワー エレクトロニクスに関する Delta Electronics の主要な専門知識を活用した GaN アプリケーションは、効率特性を犠牲にせずに電力密度を最大化することを重視しています。結論として、従来は実現できなかった製品も、GaN 技術を使用すると開発可能になる可能性の扉が開きます」。
- Kai Dong 氏 | Delta Electronics、研究開発マネージャ、カスタム設計事業部
主な製品を確認
カテゴリ別の参照
GaN デバイスを使用した設計
ドライバと保護機能を内蔵した TI の GaN FET 製品ラインアップを採用すると、電力密度の向上や寿命全体にわたる信頼性の確保が可能になり、競合ソリューションよりシステム コストを削減することができます。
GaN 採用で設計の完成度が向上
各種コンパニオン デバイスで構成された TI の製品ラインアップは、GaN システムの性能を最大限に高める設計を採用しているので、効率の向上、信頼性の向上、電磁干渉 (EMI) の低減のどの目的でも活用できます。
高電圧設計の継続的な推進に役立つ
高電圧アプリケーションに関連する業務には、多くの課題が付きまといます。効率的な高電圧電力変換システムの設計はその 1 つです。TI の高電圧技術のページにアクセスすると、電力変換、電流と電圧のセンシング、絶縁、リアルタイム制御の各技術の詳細を参照し、次期高電圧設計で TI 製品を選択する利点を確認することができます。