GaN集積ドライバで80 Plus Titanium PSUの性能を実現する方法

効率の向上は電源メーカにとって長期的な目標でした。運用コストを削減するだけでなく、熱の形で無駄なエネルギーを削減することで必要な熱管理が少なくてすみ、電源のサイズとコストが削減されるため、まさに「win-winの関係」の1つです。さらに、必要な室内冷房が少なく、ファンからの可聴ノイズが低減されるというメリットもあります。

従来、PSU(電源ユニット)の効率は一般的に1つの数値として引用され、可能な限り最高の効率を示していました。しかし、多くのアプリケーションでは、PSUは異なる負荷レベルで動作し、ヘッドラインの効率はほとんど達成されませんでした。特に、これはPSUがより低い電力レベルで動作しているときに問題になりました。

80 Plusは、全負荷範囲における効率性能問題に対処するために開発された自主的な規格です。「基本(basic)」から「チタン(titanium)」までの6レベルで構成され、20％、50％、100％の負荷で最低効率が規定されていて、80％が最低許容レベルです。

Titaniumレベルが最高であり、10％の負荷で90％の効率を達成することが追加要件となっていて、最も要件が厳しく、達成できるのは高出力のPSUのみとなります。

GaNは理想的なスイッチ？

シリコンベースの半導体デバイスは近年、大きな進化を遂げましたが、80 Plusの厄介な要求のため、最高レベルを達成するには、特にTitaniumのような新しい技術が必要であることを意味します。SiCやGaNを含むワイドバンドギャップ(WBG)などの技術がより主流になりつつあり、99％もの効率を達成した設計を実証できます。

SiCの方がより技術的に確立されているかも知れませんが、GaNは低いオン抵抗と高速スイッチングにより、さらに優れた性能を達成しており、「理想的なスイッチ」と言及されることもあるほどです。GaNベースの高電子移動度トランジスタ(HEMT)には、高効率アプリケーションに挑戦するうえで明らかに多くのメリットがあります。最も単純なGaNスイッチはノーマリーオンとして構成されますが、ゲート・ソース間電圧がゼロのときにオフになるエンハンスメントタイプ、すなわち「eモード」タイプが現在一般的に入手可能です。このタイプには、少なくとも最初はシリコンMOSFETと同じように動作させるというメリットがあります。

サーバPSUは、許容損失がわずか4％の最も厳しいアプリケーションのひとつです。ここで、トーテムポールPFC (TPPFC)ステージは通常、LLCやフェーズシフトフルブリッジ(PSFB)などの共振DC-DCコンバータ、および同期整流器の出力ステージと組み合わせます。

• GaNスイッチによるトーテムポールPFCステージとPSFBフルブリッジを用いたサーバPSUの設計

PSU全体で損失を分担すると、各ステージで2％の損失が発生します。これは、GaNスイッチでのスイッチング損失と静的損失の間でバランスをとる必要があることを意味します。

ダイ面積が増加すると静的損失が減少しますが、その分デバイスの静電容量も増加し、スイッチングサイクルごとに必要な電荷量が増えてしまいます。これは、静的損失を減らすとスイッチング(動的)損失が増加することを意味しますが、その影響はGaNデバイスでは非常に小さく、シリコンベースのデバイスよりもはるかに優れています。

ゲート駆動の課題

e-GaN HEMTデバイスとシリコンベースのスイッチの最も大きな違いは、非常に特殊なゲートドライブが要求されることです。入力容量(CISS)は、ゲート・ソース容量とゲート・ドレイン容量の並列の組み合わせであり、両方とも容量が低いため一般的に低くなります。しかし、ピークゲート電流は1Aのオーダになる可能性があるので、ゲートドライブのソースインピーダンスを低くする必要があります。実際には、ドレインのdV/dtの制御にソース抵抗が追加されるため、電圧のオーバシュートや発振がなくなります。

最適なゲート抵抗は、ターンオン時とターンオフ時では異なるので、1個のダイオードに別々の抵抗を使用するのが一般的な方法です。洗練された回路では、ゲート電流をアクティブに制御できる場合があります(電圧制限付き)。しかし、GaNの速度を最大限に活かすには、伝搬遅延を抑えてバランスをとることが非常に重要です。

eモードGaN HEMTのしきい値電圧は約1.6Vなので、スイッチング中の過渡現象によりデバイスが誤って導通し、タイミング悪く「シュートスルー」が発生してデバイスに損傷を与え、電力損失が生じる可能性があります。これはドレインに高いdV/dtが加わった場合に、ゲート・ドレインまたは「ミラー」容量を介してゲートに電荷が注入されると発生するおそれがあります。同様に、ドレイン・ソースターンオフdi/dtが高い場合、ゲート駆動回路の共通ソースインダクタンスが、ゲートターンオフ電圧に反作用する過渡電圧を引き起こす可能性があります。

これらの影響を抑えるために、設計内部でdV/dtとdi/dtが可能最大値よりも低くなるように制御されます。これがEMIの低減に役立ち、またソースに「ケルビン」接続を行って、ゲートドライブループを分離できます。

既製のGaN集積ドライブ

GaNデバイスを駆動するための最良かつ最も単純な方法は、事前に最適化された集積ドライバソリューションを使用することです。例えばオンセミの「NCP58920」や「NCP58921」などが当てはまりますが、これらは150mΩおよび50mΩのオン抵抗を持つ650V eモードGaNデバイスであり、TPPFCを含むすべての一般的なコンバータトポロジに適していますが、GaNに有利である「ハードスイッチ」アプリケーションで特に優れた性能を発揮します。

代表的な低コストのTPPFC+LLCコンバータでは、NCP58921デバイスのペアは95％近くの効率で、250WDCを上回る出力が可能です。ただし、サーバ電源では、最適化された伝導モードと磁性体によって、80+ Titaniumの目標値を達成できます。

• オンセミのNCP58291集積GaN+ドライバを使用したPSU。最大～95％の効率でピークに達する

NCP5892xデバイスは、0.4℃/W接合部-基板間熱抵抗のための露出パッドを備えた熱効率の高いPQFN 8×8パッケージに収納されています。ドライバセクションへの供給電圧は最小8.5V、最大20Vと広範囲です。これはデバイスには必要に応じて、6Vクランプ付きGaN HEMTドライブ用LDOと外部デジタルアイソレータ電源用5V LDOが搭載されるためです。

結論

GaNデバイスは高性能のスイッチであり、静的および動的損失がきわめて低くなっています。ドライバを同一パッケージに収納すると、80 Plus Titaniumなどの厳しい効率仕様を満足する、高性能な電力変換器の設計を容易に実行できます。