窒化ガリウム（GaN）がいかに電源を小型化し、効率化するか

GaNとは？

窒化ガリウム（GaN）は、広バンドギャップ（WBG）半導体材料です。GaNはシリコンと同様に、ダイオードやトランジスタなどの半導体デバイスを作成するために使用できます。GaNトランジスタの開発は、パワー・エレクトロニクス業界でシリコントランジスタの代替品として特に関心を集めてきています。GaNはトランジスタとして、シリコンに対して多大なメリットをもたらし、主要分野において電力供給メーカーが効率を大幅に向上させることを可能にすると同時に、デバイスのサイズと重量を低減します。

GaNが効率を向上させる方法

パワー・トランジスタは、スイッチング電源において電力損失を生じさせる主な原因の一つです。トランジスタでの損失は、伝導とスイッチングの二つのカテゴリに分けられます。導通損失はトランジスタがオンの時に電流によって発生し、スイッチング損失はオン状態とオフ状態の間の過渡で発生します。

オンの場合、GaNトランジスタ（例えばシリコン製のもの）は、ドレインとソース間の抵抗に似ており、多くの場合、R_ONと呼ばれ、導通損失はこの抵抗に比例します。GaNやその他のWBG材料の主なメリットは、絶縁破壊電圧とR_onとの間の関係です。図1は、シリコン、GaN、およびもう一つのWBG材料である炭化ケイ素（SiC）の関係の理論上の限界を示しています。特定の絶縁破壊電圧に対しては、WBGデバイスのR_ONはシリコンよりもはるかに低く見られ、特にGaNが3つの中で最も低くなります。シリコンがほぼ理論上の制限をもたらしていることから、R_onの改善が継続する場合は、GaNおよびその他のWBG材料の使用が必要になります。

導通損失の改善に加えて、GaNの使用もスイッチング損失の軽減をもたらします。スイッチング損失に寄与する要因は複数ありますが、そのうちのいくつかはGaNの使用によって改善されます。図2に示すように、1つの損失メカニズムは、ドレイン電源電圧が落下する前に、トランジスタ内の電流が流れ始めたことで発生します。この時間中、この損失（電圧-電流の積と等しい）は非常に大きくなります。スイッチがオンになる速度を加速すると、この遷移中に発生する損失が減少します。GaNトランジスタはシリコントランジスタよりも速くオンにできることから、この遷移によって引き起こされる損失を減少させることができます。

GaNがスイッチング損失を減少させる別の方法は、ボディダイオードの欠如を通したものです。短絡状態を回避するために、ハーフブリッジの両方のスイッチがオフになっている場合は「不感時間」として知られている時間範囲が存在します。この期間の間に、電流は継続して流れますが、両方のスイッチがオフになっているため電流はボディダイオードを通過させられます。このボディダイオードは、オンの場合、シリコントランジスタのR_ON抵抗よりも効率が下がります。GaNトランジスタには、ボディダイオードはありません。代わりに、シリコントランジスタのボディダイオードを通して流れる電流は、R_ON抵抗を通過して流れます。これにより、不感時間中に発生した損失が著しく減少します。

シリコントランジスタのボディダイオードは、不感時間中に実行されることから、その他のスイッチがオンになる場合にはオフにしなければなりません。この時間中、ダイオードがオフになっていることから、電流は逆方向に流れ、さらなる損失を引き起こします。GaNトランジスタでは、ボディダイオードの欠損は、逆回復損失がほぼゼロと言う結果になります。

GaNがフォームファクタを減少させる方法

スイッチング損失はスイッチング期間内に短期間で発生しますが、時間の経過とともに平均化してみることが有効です。単一スイッチング遷移中の損失が大きい場合がありますが、スイッチ間の時間が長い場合（つまり低スイッチング周波数）は、この平均値は安全なレベルに保持できます。GaNではスイッチング損失が低いため、スイッチ間の時間を低減することができ、これによりスイッチ周波数が増加します。スイッチ周波数の増加により、多くの大型コンポーネント（変圧器、インダクタ、および出力コンデンサなど）のサイズを軽減することを可能にします。

GaNおよびその他のWBGデバイスは、より優れた熱伝導性を有し、シリコンより高い温度に耐えることができます。両方とも大きくて扱いにくいヒートシンク、フレーム、またはファンなどの温度管理コンポーネントのニーズを低減するのに役立ちます。これらのデバイスが不在になった場合（ならびに前述のパワートレインコンポーネントが収縮した場合）は、電源の全体的なサイズの大幅な低減につながります。

GaNデスクトップ・パワーアダプタ

CUIの最新のデスクトップ・アダプタでは、GaNを適用することで、効率の改善、サイズの縮小、重量の低減がすべて達成されています。例えば、CUIのSDI200G-U デスクトップ・アダプタは、スイッチング周波数が増加するとサイズを半分以下に縮小することができ、これにより電力密度が5.3 W/in3から11.4 W/in3へと増加します。これは、以下の図3に示されています。また、これは32%（820g～560g）の重量縮小にもつながります。さらに、伝導とスイッチング損失を減らすことにより、このアダプタは最大95%の効率を達成します。これらのGaNデスクトップ・アダプタは、効率、サイズ、重量において、従来のシリコンベースの製品に対して大きな改善を提供しています。

結論

電源メーカーは常に、自分たちの製品の効率性と電力密度を向上させる方法を模索しています。長年の努力から得られたものの多くは、電源内部で使用されているシリコンスイッチの改善からきています。しかし、シリコンは物理的な限界に達していることから、メーカーはさらなる改善のために他の解決法を探す必要がありました。GaNの使用（ならびにその低損失と高速スイッチング）により、メーカーはシリコンの限界を押し上げ、より小型で高効率の電源の設計が可能になりました。さらに、今後も続くGaNの開発にも対応した改善の余地も持たせることができます。これらの改善は、CUIの最新世代のGaNベースのアダプタで明確に見ることができます。

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