はじめに

技術の急速な発展は、電力への欲求が高まることを意味します。この発展を持続可能な方法で推進するため、太陽光発電などの再生可能エネルギー源が電力グリッドに次第に導入されつつあります。同様に、より高速なデータ処理、ビッグ データ ストレージ、人工知能 (AI) を可能にするため、サーバーの需要は指数関数的に増加しています。世界的な動向の結果として、設計において、同じフットプリントにより多くの電力を供給しながら、効率を向上させ続けるという大きな課題に設計者は直面しています。

この課題は、高電圧電源設計における窒化ガリウム (GaN) の採用を後押ししてきました。なぜなら、GaN には次の 2 つの大きな利点があるためです。

• 1 つは高い電力密度です。スイッチング周波数が高い ‌GaN を使って設計すると、より小さいサイズの受動部品 (インダクタ、コンデンサなど) を使用できるため、ボードのサイズを小さくできます。
• もう 1 つは高い効率です。GaN の優れたスイッチングおよび導通損失特性のおかげで、シリコン設計と比較して、損失が >50% 小さくなります。

業界で採用されている高電圧 GaN (定格 >= 600V) に加えて、それまで高電圧 GaN では対応できなかった電力システムにおいてより高い電力密度および効率を実現するため、新しい中電圧 GaN ソリューション (定格 80V～200V) が次第に人気を集めつつあります。

この記事では、GaN の採用が広がっている 4 つの主要な中電圧アプリケーション分野について説明します。

アプリケーション 1：ソーラー エネルギー

ソーラー エネルギーは、急成長中の再生可能エネルギー源です。その発電量は 2021 年から 2022 年の間に 26% 増加し、今後 7～8 年の間、年平均成長率約 11.5% で拡大すると予測されています。太陽光発電設備はスペース集約型技術であるため、太陽光発電設備の数が増加するにつれて、システムの効率と電力密度に対する要求も増大します。ソーラー パネル サブシステム向けに LMG2100R044 および LMG3100R017 デバイスを使用すると、システム サイズを 40% 以上低減できます。

太陽光発電は、ソーラー パネルの主に 2 種類のサブシステムによって実現されます。1 つは、昇圧段と、それに接続されたインバータ段です。ここでは、DC 電圧範囲を 1 つの AC 電圧に変換します (図 1 を参照)。もう‌ 1 つは昇降圧段です。ここでは、変動する DC 電圧を電力オプティマイザが (最大電力点追従によって) 共通の DC 電圧レベルに変換してストリング インバータに供給します (図 2 を参照)。

アプリケーション 4：モーター ドライブ

モーター ドライブ回路でも GaN を使用できます。その用途はロボット、電動工具ドライブ、2 輪トラクション インバータ設計など多様であり、負荷プロファイルもさまざまです。GaN のゼロ逆回復 (ボディ ダイオードが存在しないため) という性質により、ダイオードの逆バイアス電流のためのセトリング時間が不要であるため、デッドタイム損失が小さく、高効率です。GaN の高いスイッチング周波数のおかげで、電流リップルが低減されます。そのため、すでに説明したように、受動部品をより小型化できることから、よりスマートなモーター ドライブ設計が実現できます。

図 4 に、モーター ドライブに GaN を組み込む方法を示します。

まとめ

GaN は、基板全体の中電圧アプリケーションにおいて、従来のシリコン FET を置き換える可能性を持っています。100V～200V GaN のその他の応用分野には、汎用 DC/DC 変換、Class-D オーディオ アンプ、バッテリ試験 / 構成機器が含まれます。スイッチング周波数の向上、電力損失の低減にも貢献するGaN の利点は、電源設計の簡素化する統合型パワーステージを通じて、より明確になります。