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高速・低損失の GaN その実際と実力の検証
GaN パワーデバイスの A,B,C 高速・低損失の GaN その実際と実力の検証 GaN パワーデバイスの潜在能力とデバイスの実力， そしてメリットを引き出すためのノウハウ． ■ 特性を活かす実装のポイント GaN デバイス （以下 GaN）はシリコンなどに比べ高 速で低損失なスイッチングが可能なパワーデバイスで す．特に，カスコード接続された一体型の GaN は数 多くのメリットがあります． いっぽう，GaN の持つ特性を活かして従来の性能 を超える電源や駆動回路を実現するためには，高速・ 低損失ならではの配慮も必要です．例えば，ソースと グラウンド間の配線はゲートの駆動入力とドレイン電 流出力という二つのループの共通インピーダンスを形 成するため，出力電流の変化でゲート電圧が大きく振 られるという結果を招きます．これを防ぐには，入出 力のループを分離して相互の影響が少なくなるような 配線パターン （ケルビン接続）にします． 同様に，寄生振動防止用としてゲートにフェライト ビーズの挿入が有効です． 不要な振動や発振はデバイス周りの浮遊容量と寄生 インダクタンスが原因で起こり，対策としてはゲート ビーズなし と直列に数十 Ω 程度の抵抗を入れることが一般的で す．ところが，GaN ではスピードが落ちるだけで効 き目が現れません．この抵抗はゲート - ドレイン間の 容量（Cgd）とでローパスフィルタを構成することで発 振を押さえる働きをします．フィルタのカットオフは 両 者 の 積 で 決 ま り ま す が，GaN は シ リ コ ン の MOSFET に比べて Cgd が数分の 1 程度と小さいため， 数十 Ω では発振を引き起こす周波数に効果が及ばな いからです．かといって抵抗値を大きくするとスピー ドが落ちてしまいます． そこで，寄生振動の防止にはゲートにフェライトビ ーズを挿入することが推奨されています．＜図 1 ＞ フェライトビーズは高周波域で抵抗値が上昇するた め，速度を損ねることなく不要な振動を抑えることが できます．したがってフェライトビーズには発振を起 こす周波数付近で抵抗値が高くなる特性の物を選びま す．＜図 2 ＞にこれらの点に配慮した実装パターンの 例を示しました． 駆動側ループ用のパターン フェライトビーズ （ゲートピン直前） Power レイヤーにすぐ落とす S G D ハイサイド Tr ビーズあり G S D ローサイド Tr GND レイヤーにすぐ落とす バイパス用セラミックコンデンサ （裏面） 〈図 1〉フェライトビーズの挿入効果 24 〈図 2〉デバイス直近の推奨パターン 2015 年 7 月号 PR C：Circuit around the GaN 30 20 10 0 0 2 4 6 8 10 12 Output Current ［A］ 〈図 3〉ターンオフ時のエネルギー損失 カスコード GaN はターンオフ時も高効率 32 99 28 98.5 24 98 20 16 97.5 12 97 f=500kHz 96.5 Si MOS GaN（TPH3006PS） 96 0 200 400 600 800 8 4 0 1000 1200 Pout［W］ 〈図 5〉効率と損失比較（昇圧コンバータ 200V → 400V） 12 10 8 6 60 f=500kHz 4 100 2 0 50 98 0 5 10 15 20 25 Vg［V］ Pl o ss（o n ） ［ μJ ］ GaN の持つ多くのメリットは実際の回路でどのよ うに反映されるのでしょうか． まずは，標準的なハードスイッチングのコンバータ で，シリコンとの効率と損失の比較です．スイッチン グ周波数が高くなるとスイッチング損失の割合が多く なり，差が顕著に表れるのでスイッチングは 500kHz としました．＜図 5 ＞は昇圧コンバータで最新の Si パ ワー MOS と比較したもの，＜図 6 ＞は降圧コンバー タの効率で出力 6A 時の損失内訳も併せて示しました． 何れも GaN の持つ低損失特性が良く表れています． 図 6 では，ハイサイドスイッチの損失差が大きいこと が分かります． 上記はハードスイッチングです．では，原理的にタ ーンオン損失が小さいとされるソフトスイッチングで はどうでしょう．実はソフトスイッチングでも，ター ンオフ時に GaN のメリットが発揮されます．ターン オフ時に生じるデッドタイムは出力容量 Coss に比例 しますが，GaN はシリコンより出力容量（Coss）が小 さいので，デッドタイムの間に生じる損失が小さくな 30 25 20 40 30 Eff ［%］ Plo ss（o ff ） ［ μ J］ もともと，GaN はスイッチングが速く損失が小さ いのですが，トランスフォーム社の GaN のようにカ スコード接続された GaN はターンオフ時の損失がさ らに小さいことが大きな特長です． その訳は，ターンオフの瞬間に要するエネルギーが 小さく済むことにあります．単体の GaN の場合，ス イッチのターンオフ時に高電圧がかかった GaN のド レイン - ソース間の容量をチャージするエネルギーが 必要です．これに対してカスコード接続の GaN では 低耐圧 FET へのチャージが主となるので僅かなエネ ルギー損失で済みます．＜図 3 ＞ 同様にカスコード接続された GaN のメリットのひ とつとしてドライブに必要なゲート電圧が小さく済む ことが挙げられます．＜図 4 ＞に GaN と SiC，Si-FET の 3 者についてゲート電圧と損失との関係を示しまし た．SiC と Si-FET では高速なターンオンには 20V 程 度のゲートドライブ電圧が必要ですが，同図から分か るように GaN ではその半分の 9V あればオンするので， 他に比べてドライブ部分の電力ロスを少なく抑えられ ます． 実回路での差をチェック Power［W］ ■ ■ Loss［%］ : Single switch : Cascade GaN Turn-off Energy Vds=380V, inductive load 40 Eff［%］ Energy［μJ］ 50 96 94 92 20 15 90 1 2 3 4 5 6 7 Output Current［A］ 10 10 5 0 0 0 5 10 15 Vg［V］ GaN（TPH3006PS） SiC 20 25 HiSW cond LoSW cond Inductor LoSW turn-on LoSW turn-off Si（Rg=2.2Ω） 〈図 6〉電流特性と損失内訳（降圧コンバータ 380V → 200V） 〈図 4〉ゲート電圧と損失 2015 年 7 月号 25 GaN GaN Power Power Low-loss Low-loss Switch Switch PR ■ ■ 製品への搭載も続々 ■ ■ 世界初！ GaN（窒化ガリウム）パワー半導体モジュール搭載の 太陽光発電用パワーコンディショナ 設置面積の比較 「Enewell-SOL V1 シリーズ 4.5kW」を販売開始 同製品は GaN 搭載により、最大変換効率 98％のほか、取付面積は従来モデルの 約 1/2 で世界最小のコンパクトサイズとファンレス自然空冷を実現。 また、可聴領域を超える高周波スイッチングを実現し、耳障りな高周波音（モスキ ート音）をなくした。（2014 年 12 月株式会社安川電機 リリースより） るからです．＜図 7 ＞は，この特長が活かされる LLC コンバータ（390V → 12V/124W/200kHz）でオフ時の 挙動比較です． 450 2 400 1.6 1.2 Vs 300 0.8 Ip 250 0.4 200 0 150 -0.4 100 -0.8 50 Ipr （A） できるようになったことで，アプリケーションも拡が ってきました．例えばトーテムポール型のブリッジレ ス PFC もそのひとつです．中でもトーテムポール型 の PFC はシンプルなのが特長ですが，スイッチに良 好な逆回復特性が要求されるため実用化が遅れていま した．こちらもデモボードがあり，性能を評価できま す．トーテムポール型 PFC で問題となるノイズも規 格をクリアできることが実証されています．＜図 9 ＞ -1.2 DT 0 -1.6 -50 -2 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 （μs） t 70 99.5 2 1.6 Vs 1.2 0.8 300 Ip 250 0.4 200 0 150 -0.4 100 -0.8 50 -1.2 DT 0 Ipr （A） 400 350 50kHz 99.0 Efficiency［%］ 450 Vs（V） GaN 搭載超小形 住宅用パワーコンディション Enewell-SOL 4.5kW 従来機種 （200V 級 単相 4.5kW） 60 50 98.5 100kHz 98.0 40 97.5 30 97.0 20 96.5 Power Loss［W］ Vs（V） 350 1/2 10 96.0 0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Output Power［W］ -1.6 -2 -50 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 〈図 8〉3kW インバータ （μs） t 〈図 7〉ターンオフ特性（ソフトスイッチング） 200 GaN ならではの回路 & 製品開発へ トランスフォーム・ジャパン株式会社 26 160 eff 98.0 120 97.0 80 96.0 40 Loss 95.0 0 Power Loss ［W］ いっぽう，＜図 8 ＞は GaN を使った 3kW インバー タの例 （デモボード） です． これまで，インバータでは周波数 20kHz 程度でス イッチングが行われ，デバイスとしては IGBT が多く 使われてきました．それを GaN に置き換えることで 周波数を高くできるうえ，スイッチロスが少なく済む ので小 型 化 と 省 エ ネ が図れます．同図のグラフは 50kHz と 100kHz でスイッチングしたときの効率です． 高速・高効率の GaN パワーデバイスが手軽に入手 99.0 Efficiency ［%］ ■ 0 500 1000 1500 2000 2500 Output Power ［W］ 〈図 9〉トーテムポール型ブリッジレス PFC http://transphormjapan.com/ ツイッター @transphormjapan 〒 222-0033 神奈川県横浜市港北区新横浜 2-5-15 新横浜センタービル 9F TEL：045-471-1370( 代表 ) FAX：045-471-1386 ■株式会社 UKC ホールディングス ■飯田通商株式会社 ■富士通エレクトロニクス株式会社 03-5496-1128 03-6866-7201 045-415-5822 2015 年 7 月号