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GaNデバイス:2種類のGaNデバイスを使い分け、さらなる高効率化と小型化を後押し

藤原 エミリオ氏
インフィニオン テクノロジーズ ジャパン インダストリアルパワーコントロール事業本部 アプリケーションエンジニアリング ヘッド

インフィニオンは、インターナショナル・レクティファイアー(IR)社との事業統合によって、GaNデバイスの製品ラインアップと技術開発力を一気に強化した。600V以下の低電圧領域で、低いオン抵抗と高速動作を生かせる応用に適用していく。インフィニオン テクノロジーズ ジャパン インダストリアルパワーコントロール事業本部 アプリケーションエンジニアリング ヘッドの藤原エミリオ氏が、GaNデバイスの特性が生きる応用と効果的な利用法を解説した。

 本来GaNベースのHEMT FETは、ゲートに電圧を印加していない状態ではオン状態にある「ノーマリオン」のデバイスである。ただし、この状態のままでは回路に組み込みにくい。インフィニオンは、使いやすい「ノーマリオフ」に変える手法として、特性と応用適性の異なる2種類の方法を用意している(図2)。

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図2 インフィニオンが提供する2種類のノーマリオフのGaNデバイス

特長の異なる2つのデバイス

 一つは、低耐圧のSiベースMOS FETをカスコード接続して、回路上の工夫でGaN HEMT FETをノーマリオフにする方法である。オン抵抗は多少高くなるが、一般的なゲートドライブ回路で駆動できる使いやすさが特長。また、ボディダイオードのVfが低く、特性が優れている点も魅力である。さらに、内蔵ダイオードのリカバリも速く、蓄積電荷量(Qrr)はSiベースのMOS FET比で1/100以下である。

 もう一つは、ゲート電極にP型AlGaN層を設けて、デバイス構造上の工夫でノーマリオフのデバイスを作ったエンハンスメントモードHEMTである。カスコード接続する方法に比べて、デバイス1個でノーマリオフになる利点がある。またQrrがゼロである点も特長である。

 ただし、ゲートのしきい値が、SiベースのMOS FETやカスコード接続したGaNデバイスよりも低い。このため、ゲート駆動回路で確実にオン/オフできるようにするための工夫が求められる。

適切な回路で潜在能力を引き出す

 GaNデバイスはSiデバイスに比べて、Qrrが小さい。このため、逆導通の特性の影響が大きいハーフブリッジ回路を構成するのに適している。また、出力電荷量(Qoss)が小さく、リニアな特性であるため、共振型やゼロボルト・スイッチ回路でのデッドタイムを小さくできる。さらにゲートチャージ(Qg)が小さいため、高速スイッチングが可能である。これらの特長は、カスコード接続する場合でも、エンハンスメントモードHEMTの場合でも共通している。

 こうしたGaNデバイスの特性は、電力損失の低減や電源回路の高周波動作による小型化に活用できるものだ。ただし、既存の回路構成のまま、デバイスだけをSiからGaNに置き換えても効果は小さい。デバイスの特性に合った適切な回路構成を探る必要がある。藤原氏は、GaNデバイスの効果的な利用ケースを3つ披露した。

 最初は、DC-DC用のトーテムポール力率改善回路(PFC)を、600VのエンハンスメントモードHEMTを利用したフルブリッジ回路で作った例。ブーストステージには最大70mΩのエンハンスメントモードGaN HEMTを、ラインステージにはSiベースのMOS FETを使う。この構成によって、2.5kWのパワーステージを表面実装部品だけで実現できる。しかも、負荷が18%~70%の状態で、99%以上と極めて高い効率を実現する。

 次は、1MHzで動作させるLLC共振型スイッチング電源の回路を600Vのカスコード接続したGaN HEMTで作った例。カスコード接続したGaN HEMTは、容易にMHz領域で動作する。この点を生かせば、小型で薄いトランスを利用して、薄型テレビなどに組み込むための小型電源を構成できる。藤原氏は、9mm厚のインダクタを使って350W出力を実現した例を紹介した。フルパワーでの変換効率も96.4%と高く、自然空冷でも利用可能であるとした。

 最後は、クラスDオーディオを、100V対応のカスコード接続したGaN HEMTを利用したハーフブリッジ回路で作った例。GaNデバイスの高速動作を、ひずみの低減に活用している。さらに、フィルタの小型化、ヒートシンクなしの表面実装による高出力の実現、多チャネル分の回路の集積といったメリットも指摘した。

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