GaN (窒化ガリウム) はワイド バンドギャップ半導体であり、従来のシリコン ソリューションよりも、高速なスイッチング、高い効率、高い電力密度を実現します。これにより、改善された放熱特性と少ない電力損失で設計の小型化と軽量化を可能にします。TI の GaN 技術は、民生機器、データ センター、グリッドと通信インフラ、車載パワー エレクトロニクスなどの幅広いアプリケーションに対応し、高い性能と信頼性を維持します。
TI の GaN 技術の特長
TI の GaN 製品ラインアップ
GaN で高電力密度化と高効率化を実現
電力需要の増加に伴い、次世代アーキテクチャにおいて GaN の採用は加速し続けています。TI のフル統合型 GaN 電力段は、GaN HEMT、ドライバ、保護、制御機能を 1 つのチップに集積したソリューションであり、データ センター、サーバー電源、ソーラー インバータ、産業用システム、車載などのアプリケーション向けに設計されています。
- 最大 1MHz の高スイッチング周波数を実現し、磁気部品の小型化と高電力密度化を可能にします。
- スイッチング損失を低減することで効率を向上させ、バイアス回路を簡素化します。
- ドライバと保護機能を内蔵することで、設計を簡素化し、ループの寄生成分を低減します。
Achieving GaN Products With Lifetime Reliability
ヒューマノイド ロボットにおける GaN FET の実用化
すべての GaN スイッチ搭載、3.6kW、54V、単相 AC/DC 整流器のリファレンス デザイン
性能を向上させ、電源設計を簡素化
GaN 技術を統合した TI の AC/DC 製品は、アダプタ、家電製品、サーバー電源、充電器などの次世代アプリケーション向けに設計されています。UCG28826 のような高性能 GaN HEMT を統合することで、これらのソリューションは、業界をリードする電力密度、高効率、低待機電力を実現します。
- 自己バイアスと補助巻線なしのセンシングにより、設計を簡素化し効率を向上できます。
- 高電圧起動、X コンデンサ放電、保護機能を統合して、BoM コストを削減します。
- 疑似共振スイッチング、バースト モード動作、スルーレート制御により、EMC 準拠をサポートします。
auxless GaN フライバック コンバータを使って AC/DC アダプタの設計課題を解決する方法 (Rev. A 翻訳版)
自己バイアス型の GaN フライバックを備えた 65W USB-C® 充電器のデモ
自己バイアス型 GaN フライバック コンバータ内蔵、USB パワー デリバリ充電器のリファレンス デザイン
GaN FET 内蔵の降圧および昇圧コンバータ
電源システムの小型化、軽量化、高効率化を実現するように設計されたこれらのソリューションは、サイズ、効率、性能の間にある従来のトレードオフを低減します。先進的な GaN 技術を活用することで、シリコンベースの設計では実現できない高い性能を達成できます。
- より小型のソリューション サイズで、より高い電力を供給します。
- 要求の厳しい大電力アプリケーションにおいて高効率を実現します。
- GaN FET、コントローラ、ドライバ、ブートストラップ回路を 1 つのパッケージに統合することで、設計を簡素化します。
48V、12V、GaN 対応、2kW、4 相、降圧コンバータ、1/4 ブリック パワー モジュールのリファレンス デザイン
3V ～ 42V、同期整流 GaN 昇圧コンバータのリファレンス デザイン
高効率、高電力密度、スムーズな制御を実現
業界をリードする GaN インテリジェント パワー モジュール (IPM) を含む TI の統合型 GaN モーター ドライバは、99% を上回るインバータ効率を実現し、放熱特性を向上させ、電力損失を最小限に抑えます。家電製品、ロボット、電動自転車、ドローン、電動工具などのアプリケーションにおいて、TI の GaN ドライバは優れた高調波制御を提供し、より静かで滑らかな動作、精密なモーター制御を実現します。これにより、システム コストおよび消費電力が削減され、効率要件を満たす小型設計が可能になります。
- 統合型 GaN ハーフブリッジ電力段により、PCB を 50% 以上小型化できます。
- 高いスイッチング周波数 (100kHz) で電力損失を最大 50% 低減します。
- デッド タイムを最小化し (150ns 未満)、スイッチングを最適化することで、電流歪みを低減し、音響特性を向上させます。
産業用通信機能搭載、48V、1kW ロボットのジョイントモーター制御のリファレンスデザイン
開始に役立つリソース
TI の GaN で高電圧電源を革新
TI の GaN は、開発中高電圧システムの革新に貢献します。TI の GaN 技術を活用し、高電圧電力変換設計の市場投入期間を短縮すると同時に、システム コストと環境への影響を低減する方法をご確認ください。
GaNがパワー マネージメントの変化を推進する3つの理由
1.3kW GaN トーテムポール力率補正とモーター インバータのリファレンス デザイン
48V、12V、GaN 対応、2kW、4 相、降圧コンバータ、1/4 ブリック パワー モジュールのリファレンス デザイン
このリファレンス デザインは、エンタープライズ コンピューティング向けの 4 相降圧をベースとした、2kW、高密度、48V ～ 12V の閉ループ バス コンバータです。このデザインは、48V VIN (入力電圧) 時に 98% を上回るピーク効率と、97.5% の全負荷効率を達成します。このデザインでは、TI の高性能窒化ガリウム (GaN) 電力段デバイスである LMG3100R017 を使用しています。制御回路では、40 ピン クワッド フラット リードなし (QFN) パッケージに封止された高性能マイコンである UCD3138A を使用しています。
産業用通信機能搭載、48V、1kW ロボットのジョイントモーター制御のリファレンスデザイン
このリファレンス デザインは、産業用イーサネット接続モーター ドライブを処理する TI の Sitara™ マイコン AM261x デバイスを搭載しています。このデザインは、直径 70mm のプリント基板 (PCB) を使用して、ヒューマノイド ロボットの関節 (48V、1kW の Eyoubot モーター) を駆動します。このデザインは、小型フォームファクタと簡素化された統合プラットフォームを示します。このプラットフォームは、3 つの DRV7167 ハーフブリッジ GaN モーター ドライバ電力段を使用した高電力密度のセクション、AM2612 500MHz R5F コア (...)
注目のアプリケーション
将来のコンピューティング需要に向けて、通信およびサーバー電源を変革
TI の GaN デバイスを採用することで、ストレージ、クラウド、高性能コンピューティング向けの通信およびサーバー電源システムを設計できます。これらのデバイスは、最大 80 PLUS® Titanium 規格に対応する厳しい効率要件の達成に貢献し、99% を上回る力率補正 (PFC) 効率を実現します。また、絶縁型 DC/DC コンバータで 500kHz を上回るスイッチング周波数を実現し、磁気部品を小型化すると同時に、統合型設計により寄生損失を最小化します。
可変周波数、ZVS (ゼロ電圧スイッチング)、5kW、GaN ベース、2 相トーテムポール PFC のリファレンス デザイン
最大 16A の入力に対応し、180W/in3 (10.98W/立方 cm) を上回る電力密度を達成する、3kW の単相トーテム ポール ブリッジレス PFC のリファレンス デザイン
このリファレンス デザインは、C2000 F28003x と F28004x の各マイコンを使用して、連続導通モードのトーテムポール PFC (力率補正) コンバータを制御する方法を提示します。この PFC はほかに、グリッド接続 (電流制御) モードでインバータとして動作します。このコンバータは、16A RMS の最大入力電流と 3.6kW のピーク電力をサポートできる設計を採用しています。ドライバと保護機能を内蔵した上面冷却型 GaN デバイスである LMG3522 を採用した結果、効率の向上や、電源のサイズ小型化と複雑さの低減を実現しています。C2000 コントローラをベースとする (...)
すべての GaN スイッチ搭載、3.6kW、54V、単相 AC/DC 整流器のリファレンス デザイン
比類のない効率と密度でエネルギー ストレージを革新
GaN デバイスを用いて、より小型で高効率な AC/DC 電力変換を実現する太陽光発電およびエネルギー ストレージ システムを設計できます。GaN により双方向の電力フローが可能となり、エネルギー ストレージをソーラー インバータにシームレスに統合できます。これにより電力網への依存を低減できます。これらのソリューションは、高周波 GaN スイッチング (140kHz) により、従来のコンバータと比較して最大 3 倍の電力密度 (1.2kW/L 超) を実現し、SiC FET と比べても 20% 高い電力密度を達成しています。GaN 技術を採用すると、磁気部品の小型化およびトポロジの簡素化により、2 レベル SiC 設計と比較してシステム コストを削減できます。
GaN ベース、有線 / 無線通信機能搭載、600W ソーラー電力オプティマイザのリファレンス デザイン
このリファレンス デザインは、ソーラー電力オプティマイザであり、最大で 80V の入力電圧と 80V の出力電圧をサポートでき、最大で 18A の出力電流と入力電流を供給します。このデザインは、構成可能な 4 スイッチの昇降圧コンバータを使用して、パネル電流をストリング電流に昇圧または降圧します。バイパス回路では、スマート ダイオード コントローラをベースとする設計を採用しています。
このリファレンス デザインには、電力線通信 (PLC) が含まれているほか、ワイヤレス通信も装備されています。デジタル制御機能と通信機能の両方が、単一の C2000™ マイコン (MCU) に実装されています。
比類のない性能で、日常のあらゆるデバイスに電力を供給
TI の統合型低消費電力 GaN デバイスを使用することで、携帯電話やノート PC のアダプタ、TV の電源ユニット、USB 電源コンセントなど、コンシューマが日常的に使用するアプリケーションにおいて、優れた電力密度と効率が得られます。これらのソリューションは、システム効率が 95% を上回るため、コンシューマ向け AC/DC ソリューションのサイズを最大 50% 削減できます。また、統合型電流検出機能により、効率をさらに向上させ、プリント基板のフットプリントを最小限に抑えます。
ユニバーサル AC 入力、65W、GaN 内蔵ロープロファイル AC/DC USB PD チャージャのリファレンスデザイン
自己バイアス対応 GaN フライバック コンバータ内蔵、65W デュアル ポート USB パワー デリバリ充電器のリファレンス デザイン
このリファレンスデザインは、自己バイアス窒化ガリウム (GaN) フライバック機能を搭載した、65W デュアルポート USB パワーデリバリ (PD) 充電器です。90VAC ～ 264VAC の範囲で 65W のフル定格電力を供給できます。DoE Level VI や CoC V5 Tier 2 などの効率性に関する規格や規制に適合し、25%、50%、75%、100% の平均効率を達成すると同時に、スタンバイ時の消費電力を低減します。UCG28826 は、AC/DC 段フライバック コンバータです。VCC 自己バイアス機能を搭載しており、補助巻線が不要で、関連する VCC (...)
TI の GaN 技術を採用すると、電気自動車 (EV) で高い電力密度を実現可能
ハイブリッド車 (HEV) や電気自動車 (EV) の次世代単相 AC オンボード チャージャ (OBC)、高電圧から低電圧への変換を行う DC/DC コンバータで GaN パワー デバイスを採用すると、スイッチング周波数を高くし、磁気部品のサイズを小型化することができます。これにより、シリコンおよび SiC ベースの代替品と比較して、優れた電力密度を実現します。これらのソリューションは、同等の体積において SiC を上回る電力を提供し、CLLLC で 500kHz、PFC で 120kHz を上回るスイッチング周波数を実現します。また、システム全体で 96.5% の効率を達成し、システムレベルの設計を大幅に簡素化する統合型ゲート ドライバを備えています。
15kW ～ 30kW 双方向、三相＋中性線、フライング コンデンサ方式の GaN リファレンス デザイン
本リファレンス デザインは、3 レベル、三相＋中性線、窒化ガリウム (GaN) ベースのフライング キャパシタ電力ステージを実装するための設計テンプレートを提供します。高速スイッチング電力デバイスの採用により、等価 125kHz でのスイッチングが可能となり、フィルタ用磁性部品の小型化と電力ステージの電力密度向上を実現します。マルチレベル トポロジにより、最大 900V の高い DC バス電圧において、定格 650V の電力デバイスを使用できます。トランジスタ両端にかかるスイッチング電圧ストレスが低減されることでスイッチング損失が抑制され、フル パワー時に 98.9% の効率を達成しています。
TI の各種 GaN デバイスを採用すると、HVAC (エアコン) や家電製品で、モーター ドライブ電力段の電力効率の向上とフォーム ファクタの小型化を実現可能
家電製品や HVAC システムが世界各地の厳格なエネルギー規格を満たすには、効率的なモーター ドライブが不可欠です。TI の GaN 電力段およびインテリジェント パワー モジュール (IPM) の製品ラインアップは、IGBT や MOSFET より高い効率を実現し、システムの小型化とコスト削減を効果的に図ります。これらのソリューションは、スイッチング損失の低減によって 99% を超える効率のモーター ドライブ電力段を実現し、小型サイズ、高集積、自然冷却機能によりシステムの寸法とコストをさらに削減します。また、最大 60kHz の高いスイッチング周波数と短いデッド タイムにより、音響特性も改善します。
250W モーター インバータのリファレンス デザイン
このリファレンス デザインは、大型家電製品などの用途に対応する 250W モーター ドライブです。ヒートシンクなしで高効率を実現する GaN IPM (インテリジェント パワー モジュール) である DRV7308 をベースとするモーター インバータと、UCC28911 を使用した低スタンバイ消費電力の設計を提示しています。このリファレンス デザインには、FAST™ ソフトウェア エンコーダまたは eSMO を使用して、3 相 PMSM 向けのセンサレス FOC 制御を実装する方法が示されています。モジュール型設計を採用したこのリファレンス デザインでは、同じマザーボード上で C2000™ (...)
自己バイアス GaN 搭載、180VAC ～ 275VAC 入力、96W - 24V AC/DC フライバックのリファレンス デザイン
このリファレンス デザインは、24V、平均 1A、4 秒間で最大 96W を供給する電源です。このデザインは、モーター ドライブや過渡電力負荷のような大きいピーク電力に対処する必要があるすべてのケースをサポートしています。内蔵の疑似共振コントローラ、窒化ガリウム (GaN) スイッチ、自己バイアス セクションは、高効率を実現すると同時に、スタンバイ損失を低く維持し、トランスの補助巻線を不要にします。シンプルなトランス構造は、リーケージ インダクタンスの低減と、スナバ損失の削減低減による効率の向上につながります。また、補助巻線や関連部品が不要になるので、BOM コストと PCB (...)
疑似共振 GaN フライバックのリファレンス デザイン
このリファレンス デザインは、195VAC ～ 265VAC の入力から、負荷電流 2.5A で 24V の出力を生成します。設計では、自己バイアス型の窒化ガリウム (GaN) フライバック UCG28826 を使用しています。このデザインは、60W の出力電力を供給できます。このデザインでは、このデバイスに自己バイアスおよび補助巻線不要のセンシング方式が内蔵されているため、補助トランス巻線は不要です。この設計は、全負荷時には 130kHz のスイッチング周波数で動作し、中負荷または軽負荷時には高効率を維持するためにスイッチング周波数を低減します。