今日の電子世界では、医療機器、携帯電話、ラップトップの充電器から補助電源まで、電力コンバータが必要です。パッケージ サイズの縮小、熱管理、可変入力電圧、スマート充電プロトコルはすべて、電源とコンバータの設計を複雑にし、より高いエネルギー効率を必要とします。
過去 10 年間で、窒化ガリウム (GaN) オンチップ集積回路 (IC) を使用した新しいスイッチング技術が登場しました。窒化ガリウム回路は原子レベルの特性が異なるため、電力コンバータの設計者は課題と解決策の両方に直面しています。
GaN 半導体は非常に広いバンドギャップを持っています。バンドギャップは 3.4 eV で、シリコン半導体の 3 倍以上です。他のワイドバンドギャップ材料と同様に、GaN 半導体は、より高い電圧と最大 +400 °C の温度で動作できるため、高電力アプリケーション、高周波数、無線周波数 (RF) および 5G アプリケーションに適しています。
電力変換器アプリケーションにおいて、GaN IC は、シリコン IC よりも小さい全体寸法で、直列インピーダンス (RDS (ON) や並列容量 (COSS) など) などのトランジスタ関連の損失を最適化します。シリコン IC と同じ設置面積内で、GaN IC は、より高い周波数だけでなく、より少ない熱も処理できます。この機能により、設計者は、かさばるラジエーターを縮小または排除することができます。
ただし、GaN トランジスタの制御は面倒な場合があります。このタイプのトランジスタが高周波に耐えられるということは、遅延を排除し、不必要な電磁干渉 (EMI) を避けるためにこのトランジスタのスイッチング速度を効果的に低下させるために、制御ドライバをこのトランジスタに物理的に近づける必要があることを意味します。 GaNを使用するパワーコンバータの設計者は、一次側（入力）の高電圧パワースイッチと二次側（出力）の制御ICおよびフィードバック回路を組み合わせた単一デバイスを使用することで、これらの課題を解決します。
スイッチ動作の詳細な特徴
Power Integrations は、PopwiGaN ™ テクニカル InnoSwitch3 製品を使用して、このようなパッケージング デバイスの複数のシリーズを開発しました。たとえば、InnoSwitch3-CP シリーズ トランスファー スイッチ IC (図 1) は、準共振 (QR) 抗励起コントローラを使用して定電圧 (CV)/定電流 (CC) 出力を提供し、定電力 (CP) 曲線を実現します。
このICの1次側と2次側は電気的に絶縁されていますが、出力電圧と電流の情報は誘導結合を介して2次側コントローラーから1次側コントローラーに送信されます。 FluxLink 通信テクノロジーは、高速負荷過渡応答と最大 70 kHz のスイッチング周波数に関する高速かつ正確な情報を提供します。
Power Innovations InnoSwitch3-CP シリーズ切替スイッチ IC
図 1: InnoSwitch3-CP シリーズ トランスファー スイッチ IC のプライマリ コントローラとセカンダリ コントローラは電気的に絶縁されていますが、フィードバックは磁束リンク (破線) を介して共有できます。画像出典: Power Innovations)
InnoSwitch3-CP シリーズの集積回路は、ヒートシンクを必要とせずに 50 W ～ 100 W の電力を処理し、電源の総体積を削減します。これらのコンポーネントの定格連続動作電圧は 650 V ですが、最大 750 V のサージに耐えることができます。
InnoSwitch3-CP シリーズ IC を使用した電源では、許容負荷範囲内で 94% のエネルギー効率が達成され、シリコンベースのスイッチのエネルギー効率は約 90% です。 InnoSwitch3-CP シリーズは、エネルギー効率が高いだけでなく、消費電力が非常に低い (30 mW 未満) ため、世界的なエネルギー効率規制を満たすのに役立ちます。
安全性を確保し、コンポーネントの寿命を延ばすために、InnoSwitch3-CP シリーズ IC は、一次側と二次側の間に強化された 4000 VAC ガルバニック絶縁を提供し、Underwriters Laboratories (UL) 1577 に準拠し、各ユニットが HIPOT テストに合格しています。その他の安全機能には、同期整流電界効果トランジスタ (SR FET) のゲート開回路、入力ラインの低電圧または過電圧、出力過電圧の検出と応答が含まれます。また、IC コントローラーは過電流を制限し、過熱が発生する前に遮断します。
InnoSwitch3-EP シリーズ IC (図 2) は、InnoSwitch3-CP シリーズ IC に似ています。これらの IC は、単一の定電力出力用に最適化されていませんが、加重二次側調整 (SSR) テクノロジーを使用して、複数のチャネルの出力電圧を平均して制御信号にします。