JAJT287 February 2024 LMG2100R044 , LMG3100R017
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)。
図 1 マイクロ インバータのブロック図
図 2 電力オプティマイザのブロック図アプリケーション 2：サーバー
私たちがまだAIによるテクノロジーの革新の初期段階にいることを考えると、複雑な機械学習アルゴリズムを実行し、より大規模で複雑なデータ セットの保存を可能にするためのサーバーの需要は今後指数関数的に増加するでしょう。各段の効率の目標値が >98% である高密度設計は、このような高度な処理とストレージの要求に応えることができます。
図 3 に示すように、サーバー電源アプリケーションの主な 3 つのシステムでは、100V～200V の GaN を採用できます。
- 電源ユニット (PSU)：オープン コンピュート プロジェクトにおいてサーバー仕様が変化したことが、48V 出力の人気を高めつつあります。しかし、必要とされる 80V および 100V シリコン ソリューションでは、従来のソリューションに比べて、損失 (ゲート駆動およびオーバーラップ損失) が大幅に増加します。LMG3100 などの GaN ソリューションは、インダクタ - インダクタ - コンデンサ段 (LLC 段) の 2 次側の同期整流器でのこれらの損失を最小限に抑えるのに有効です。
- 中間バス コンバータ (IBC)：このシステムは、PSU 出力からの中間電圧 (48V) をより低い電圧に変換し、サーバーに供給します。48V の電圧レベルが一般的になるにつれて、IBC のおかげで、サーバー サブシステムでの分配時の I2R 損失を低減し、バス バーと電力伝送配線のサイズとコストを低減できるようになりました。IBC の欠点は、効率を低下させる可能性がある工程がもう 1 つ電力変換に追加されることです。そのため、高効率と高電力密度の最良の組み合わせを求めて OEM がテストしている複数の新しいトポロジに加えて、LMG2100 や LMG3100 などの高効率 GaN デバイスを活用することが重要です。
- バッテリ バックアップ ユニット（BBU）：昇降圧段は通常、バッテリ電圧 (48V) をバス電圧 (48V) に変換します。電力潮流が双方向であるシステムにおいて、商用電源ラインが停止した場合、バッテリの電力変換のために BBU を使うこともできます。無停電電源がこの段を使っている理由は、バッテリから直接 1 回のみ DC/DC 変換を実行することで、DC/AC/DC 変換に起因する損失をなくせるためです。
図 3 サーバーの電源ブロック図アプリケーション 3：通信用電源
無線通信の電源を GaN 設計にすることができます。無線機は通常、自然冷却のみで屋外に設置されるため、高効率が重要です。また、先進的なのモバイル ネットワーク (5G、6G) では、より高速なネットワークとデータ処理が求められるため、損失が非常に小さく高密度の設計が求められます。LMG2100 はこの種の設計の電力密度を >40% 向上させることができます。
代表的な中電圧アプリケーションでは、反転型昇降圧またはフォワード コンバータ トポロジを使って +48V のパワー アンプに電力を供給するため、または降圧コンバータ トポロジを使ってフィールド プログラマブル ゲート アレイとその他の DC 負荷に電力を供給するため、GaN が負のバッテリ電圧レベル (標準値 -48V) からの電力を変換します。
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。
図 4 モーター ドライブ ユニットのブロック図まとめ
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。