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パワー 半 導 体フォーラム
2014
インターナショナル・レクティファイアー・ジャパン
PFCやモーター駆動インバータで
GaNパワーデバイスの性能を引き出す
インターナショナル・レクティファイアー・
ジャパン株式会社
技術部 プリンシパル・エンジニア
藤原 エミリオ氏
イ
インターナショナル・レクティファイアー・ジャパンは2014 年 12 月 1 日に開催された「パワー半導
体フォーラム2014 」で、
「GaNパワーデバイスの応用　～性能を引き出すノウハウとは～」と題し
て講演した。既存のパワーデバイスの単なる置き換えではなく、GaNの特性に沿った適切な使い方
を追求することで、PFCやモーター駆動インバータのさらなる高効率化や小型化が実現できること
を示した。
ンターナショナル・レクティファイア
0.3％程度しか上がらないという。
ーではGaN（窒化ガリウム）
を次世代
そこで同社がGaNに最適なト
のパワーデバイス材料と位置づけ、テクノロ
ポロジーとして提案するのがトー
ヒートシンク付き
6A IRAM
IGBT MCM
400Wインバータ
洗濯機用基板
GaNベースの
プロトタイプ
ジープラットフォーム「GaNpowIRR」ブラン
テムポール・ブリッジレス昇圧ト
ドのもと、
シリコンウェハー上にGaNを形成す
ポロジーである。ダイオードが不
る「GaN-on-Si」技術をベースに研究開発を
要になるためダイオード損失項が
進めている。商用出荷も始まっており、2013
なくなるとともに、高速かつ低損
年5月には民生用のホームシアター機器に初
失のGaNをスイッチとして使う
めて採用されたことを明らかにしている。
ことで、スイッチング損失と導通
今回の講演で藤原氏は、同社のGaNデバ
損失を抑えられるというメリット
イスをPFC（力率改善回路）とモーター駆動
があり、
「GaNの性能を発揮でき
インバータに応用する場合の使い方や特徴
るトポロジーだと考えている」
（藤
について説明した。
原氏）
。
実際に出力385VのPFCを構成したとこ
そのため、モーター駆動インバータ回路を
トーテムポール・ブリッジレスを提案
ろ99％近い効率が得られたと述べた。また、
構成したとき、スイッチあたりの損失電力を
GaNはスーパージャンクションFETに比
双方向回路になっているため、スマートグリッ
FredFETの1/3ないしIGBTの1/4に抑えら
べて、ゲート電荷Qgは1/5、ボディダイオー
ドや電気自動車（EV）の充電器などに将来的
れる。損失が少ないため発熱も少なく、実際
ドの逆回復電荷Qrrはおよそ1/100、出力容
に応用できる可能性があることも示唆した。
の基板による比較ではFredFETはパッケー
量Cossは同等ないし1/10以下など、優れ
合わせて、ゼロボルトスイッチング（ZVS）
ジ温度が85℃まで上昇したがGaNだと42
ヒートシンクなし
MCMの600V/
160mΩ GaN
図１　400Wインバータ回路のGaN（右）とIGBT（左）
のソリューションサイズ比較
た特性を有するが、従来のスイッチデバイス
を使ったハーフブリッジ回路も紹介した。
℃にしか上がらなかったという。
「ヒートシン
を単純にGaNに置きかえただけでは、回路に
GaNの高速性によって3.3MHzといった高
クも不要になるため、モーター駆動回路を大
よってはほとんど効果が得られない場合があ
速なスイッチングが実現できるため、インダ
幅に小型化できる見通し（図1）
（
」藤原氏）
。
ると藤原氏は指摘した。
クタなど周辺部品の小型化が可能である。
同社ではこうしたアプリケーションを想定
その一例がPFCとして一般的な連続導通
して「GaNpowIRR」シリーズの製品を開発
モード（CCM）の昇圧トポロジーである。効
モーター駆動回路の小型化を実現
中である。GaNの特性を損なわないようにリ
率に影響を与えるのは出力電荷量Qossに起
次に、GaNデバイスを数百ワット規模のモ
ードレスかつボンディングレスの面実装パッ
因するターンオン損失だが、GaNをノーマリ
ーター駆動に応用した場合について説明し
ケージを採用する。2個のGaNデバイスを内
ー・オフとして使うにはカスコード接続が必
た。ゲート電荷とオン抵抗によって求められ
蔵した単体のカスコードスイッチのほか、
「6
要であり、そのためQossの蓄積エネルギーで
るF oM（Fig ur e o f Me rit）は、高性能な
個のGaNデバイスとドライバ回路をワンパッ
見るとスーパージャンクションFETとの差は
IGBTに比べてGaNはさらに1/3程度と小さ
ケージに封止したモーター駆動用ハーフブリ
小さく、一方でCCM昇圧トポロジーはター
く、電力損失もIGBTやFredFET（ファスト
ッジ回路を、GaNのキラーアプリケーション
ンオン損失以外の損失項がおよそ80％を占
リカバリダイオード内蔵FET）に比べて大幅
のひとつと捉えて製品開発を進めている」
（同
めるため、GaNに置き換えたとしても効率は
に小さいという特徴がある。
氏）ことを明らかにした。
インターナショナル・レクティファイアー・ジャパン株式会社
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