GaN モータ駆動インバータとブリッジレスPFC
GaNpowIR® - 未来のスイッチ • 極めて低い導通損失 GaNモーター駆動インバータ • 低損失の高速スイッチング特 性により、MHz帯域で効率的 な動作が可能 • 逆回復損失はごくわずか • 伝導性EMIを著しく低減 3相GaN インバータ ブリッジレスPFC GaNカスコード ・スイッチ 代表的PMACモーター駆動トポロジ LINE ライン 入力 INPUT BIAS EMI EMI FILTER フィルタ バイアス POWER 電源 SUPPLY INPUT DC BUS DCバス 入力 コンデンサ RECTIFIER CAP 整流器 CONTROL 制御＆ & PWM PWM AC AC MOTOR モーター GATE ゲート・ DRIVERS ドライバ OUTPUT INVERTER 出力インバータ 600 V GaN スイッチ性能指数（FOM：Figure of Merit） vs シリコン 実行性能指数（V*uJ、25℃） 実行性能指数（FOM）：Vds（on）x（Eon+Eoff） vs 電流密度 1000 クラス 最良の IGBT 900 800 700 600 500 400 300 200 IR社のGaN デバイス 100 0 0 0.5 1 1.5 電流密度（A/mm^2） 2 2.5 導通電圧：GaN vs Si FREDFET vs IGBT 3.0 800 mΩ Si FREDFET 2.5 2.0 VdsまたはVce（V） 1.5 1.0 160 mΩ GaN スイッチ 0.5 0.0 IGBT -0.5 -1.0 同一のパッケージ内で最大のチップに 対してGaNは、 -導通損失がSi（25℃）の5分の1、 -軽負荷時（1A）には IGBTの10分の1、 -全負荷時（3A）にも IGBTの3分の１ -1.5 -2.0 -2.5 -3.0 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 ドレインまたはコレクタ電流（A） 3 4 5 IGBT= IRGR4045D 電力損失 vs 負荷：GaN vs Si vs IGBT スイッチごとの電力損失計算値（W） 6 Si FREDFET 5 IGBT 4 3 GaNスイッチ 2 1 0 0 1 2 rms相電流（A） GaN（0.5A～3A）は、 -Siの4分の1～2.5分の1の損失、 -IGBTの5分の1～3.25分の1の損失 3です。 4 5 スイッチ当たりの損失ワット @ Iout = 1A rms GaN vs IGBT vs Si FREDFET：Irms = 1Aでの負荷分布 1.60 4分の1～2.8分の1へのGaNで の損失低減は、ずっと低い導 通損失とスイッチング損失が理 由です。 1.40 1.20 1.00 導通損失 conduction 0.80 ターンオフ損失 turn-off ターンオン損失 turn-on 0.60 Fixed 固定損失 0.40 0.20 0.00 Si FET IGBT GaN カスコード cascode インバータでのGaN vs Si FREDFETの比較 Si 85° GaN 42° シリコンと比較して電力消費が1/3のGaNベースのソリューションでは、温度上昇も 1/3となり、ヒートシンクを使用せず小さい表面実装形状でより大きな電力レベル が実現可能です。 同一電力レベルに対してずっと小型の形状： 400Wインバータ 洗濯機用基板 GaNベースのプロトタイプ ヒートシンク付き 6A IRAM IGBT MCM ヒートシンクなし MCMの 600V/160mΩ GaN ゲート駆動変調によるGaNスイッチのdv/dt制御 ２Aターンオン ２Aターンオフ 50ns/div 100ns/div Vsw Vgs 3.7V/ns Vgs 3.3V/ns Vsw モーター駆動dv/dt < 5V/nsに制御可能 伝導性EMIはGaNの利点を生かす •試験条件：シングル・ハーフブリッジ、1.5A相電流、20kHz • EMIフィルタなし • GaNはSiに比べて最大45dB改善 GaN IR 20kHz IGBT 20kHz Rg=2Ω 1.5MHzで45dB改善 シンクロナス・ブリッジレス・ブースト・トポロジ • ダイオード・ドロップなし - スイッチ • • 導通電圧のみ 非常に高い効率が可能 - 99%近く 他のブリッジレスの構成よりも 部品点数が少ない GaNカスコード ・スイッチ High Frequency 高周波 Half-Bridge ハーフブリッジ Q1 • 同等トポロジに共通のEMI問題を解決 • GaNカスコード・スイッチによりトポロジが 実現 • スーパー・ジャンクションFET AC LINE ライン のみでは達成不可能 • スーパー・ジャンクションFETはQrrと Cossが過大 60Hz 60Hz Polarity 極性 Switch スイッチ Q3 DC Bus バス EMI Filter フィルタ Q2 Q4 シンクロナス・ブリッジレス・ブーストの性能 240Vライン、385V出力、70kHz、フル・シンクロナス GaNpowIR® 製品ロードマップ 2013 2014 135 mΩ 70 mΩ 5x7.65mm LGA 2015 8x9mm QFN VB V+ 6x8mm QFN HV LEVEL レベル SHIFT シフト VS DELAY 遅延 MATCH 整合 COM 100V、35 mΩ ハーフブリッジ V- ドライバ付き600V、 600V、カスコード カスコード・ハーフ ・スイッチ ブリッジ GaNpowIR®技術ロードマップ見込み 製品ファミリ GaNpowIR® 600V 50～200 mΩ 600V 25～2000 mΩ カスコード ・ディスク リート モジュール 100V 35mΩ ハーフ ブリッジ 2013 100～250V 5～40mΩ カスコード 2014 GaNpowIR® IC システム・ オン・チップ FETおよび ドライバ 800～1200V GaNpowIR® 2016 2018 まとめ • 同じチップ・サイズに対して、第1世代のGaNは、 • Si FREDFETの5分の1のRds(on) • IGBTと比較して、軽負荷時の導通損失は最大10分の1 • RxQrrおよびRxQoss 性能指数はSi FREDFETよりも約5倍良好 • はるかに低いターンオンおよびターンオフ・スイッチング損失 • はるかに低いEMI – 最大45dB改善 • GaNの温度上昇は、同じ出力電力のSi FREDFETの3分の1で、 同一形状の場合はより大きい電力を処理できる、つまり • 同じ電力では、GaNはSi FREDFETまたはIGBTソリューション よりもはるかに高い電力密度が可能です。
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