電力アプリケーションでは、窒化ガリウム (GaN) デバイスは、従来のシリコン MOSFET デバイスに比べて性能と効率において大きな利点があります。窒化ガリウムデバイスは、高密度、より高速なスイッチング速度、より高いエネルギー効率により、さまざまな産業のニーズを満たすことができます。しかし、一部のアプリケーションでは、重大な設計上の課題に直面することになります。
コンパクトな USB-C 充電器や電気自動車充電器から太陽光発電やデータセンターのアプリケーションに至るまで、設計者は GaN 半導体テクノロジーを活用して、より小型、軽量、より優れた冷却製品を開発することに熱心です。
GaN デバイスのスイッチング速度が速いため、設計者は寄生インダクタンス、より正確なゲート制御要件、ゲート漏れ電流、逆導通電圧降下などの複数の課題に直面することになります。
専用の GaN コントローラーは、特定の GaN ベースのアプリケーションを設計する場合に理想的な選択肢です。たとえば、Analog Devices, Inc. はさまざまな GaN パワー コントローラーを提供しています。設計者は、統合インテリジェント・ブートストラップ・スイッチを備えたLT8418 100VハーフブリッジGaNドライバなどのシンプルな専用GaN FETドライバを利用できます(図1)。
図1：ADIの専用LT8418ハーフブリッジGaNドライバ。 (画像出典: アナログ・デバイセズ社)
このデバイスは、個別のゲート ドライバーを使用してオン期間とオフ期間中の GaN FET のスルー レートを正確に制御することで、リンギングを抑制し、EMI 性能を向上させます。このデバイスは、寄生インダクタンスを最小限に抑えるために、ウェーハ レベル チップ レベル パッケージング (WLCSP) も使用しています。
さらに、GaN FET用の高性能デュアル降圧DC/DCスイッチング・レギュレータ・コントローラであるLTC7890およびLTC7891（図2）など、より複雑なコントローラを選択することもできます。
図2：GaN FETに適した高性能ADI LTC7891 DC/DCスイッチング・レギュレータ・コントローラ。 (画像出典: アナログ・デバイセズ社)
シリコン MOSFET ソリューションとは異なり、LTC7890/LTC7891 デバイスは保護ダイオードやその他の外付け部品を必要としません。これらのデバイスのゲート駆動電圧は 4 V ～ 5.5 V の間で正確に調整できるため、性能を最適化し、他の GaN FET またはロジック レベル MOSFET の使用をサポートできます。
シリコンコントローラーが唯一の選択肢の場合
現在、4 スイッチ降圧ブースト コントローラーなどの主要コンポーネント用の専用 GaN コントローラーはありません。慎重に操作すれば、エンジニアは元々 MOSFET 用に設計されたコントローラーを使用して GaN FET を駆動できる可能性があり、それによって電力と効率が向上します。シリコン デバイスのコントローラーを GaN アプリケーションで直接使用する場合は、コンポーネントの選択と回路基板の設計に特別な注意を払う必要があり、その他の回路も必要になる場合があります。
高出力コンバータでは、従来のゲート ドライバの出力電圧は通常 5 V より高く、通常は 7 V ～ 10 V であり、場合によってはそれよりも高くなる場合もあります。 GaN FET の最大定格ゲート電圧は通常 6V しかないため、この電圧で GaN FET を駆動すると問題が発生する可能性があります。 PCB 上の浮遊インダクタンスによって引き起こされる電圧スパイクやリンギングによってこの制限を一時的に超えた場合でも、GaN デバイスに永久的な損傷を与える可能性があります。
これらの問題を回避するには、設計者はコントローラーを正しく選択し、PCB レイアウト、特にゲートとソースのリターン パス周辺を注意深く監視して、可能な限り低いインダクタンスを維持し、不要な電圧オーバーシュートを減らす必要があります。
多くの MOSFET ドライバは非安定化シリコン ゲート ドライバを使用していますが、その電圧は GaN FET の絶対最大電圧を超えてドリフトする可能性があります。設計時には、ゲート駆動電圧の管理、ブートストラップ電源の調整、デッドタイムの最適化を考慮する必要があります。
4 スイッチ降圧昇圧デバイスは、GaN FET の予期しない過電圧を防ぐために 5V ゲート コントローラーを使用する必要があります。偶発的な過電圧からゲートを保護するために、クランプ回路やゲート電圧リミッターなどの保護部品を導入することも重要です。
5.1Vのツェナー・ダイオードをブートストラップ・コンデンサと並列に使用することにより、ADIのLT8390Aを5Vのゲート・コントローラとして使用できます（図3）。これによりゲート電圧が推奨駆動レベルにクランプされるため、デバイスは常に安全な動作範囲内に収まります。保護を強化するには、10 Ω 抵抗をブートストラップ回路と直列に接続して、非常に高速な高電力スイッチング ノードによって発生する可能性のあるリンギング現象を軽減します。