自動車、産業機器、およびロボティクス分野では効率、電力密度、および信頼性に対する要求が高まり、パワー半導体技術は著しい進化を遂げています。 窒化ガリウム(GaN)と低電圧MOSFETは、この技術革新を牽引する最も重要な要素です。 ルネサスに代表される企業は、これらの先進技術を活用し、要求の厳しい分野に向けて高性能なソリューションを提供しています。 ここでは、これらのアプリケーションにおけるGaNとMOSFETが各分野で果たす役割、その利点と課題、そして具体的な応用事例についてご紹介します。
GaNとCascode D-Mode構造の利点
GaNは、高効率、高速スイッチング速度、優れた熱性能など、従来のシリコンベースのデバイスに比べて多くの利点があります。 これらの利点は、GaNの低オン抵抗とゲート電荷の低減に起因し、導通損失とスイッチング損失の低減に貢献します。 また、GaNは高周波動作を可能にし、よりコンパクトで効率的なパワーエレクトロニクス設計を可能にします。
GaNの最も効果的な実装方法の一つがCascode D-Mode構成で、通常オンのGaN HEMTと低電圧MOSFETを組み合わせて通常オフ動作を実現します。
この構成により、GaNの高効率・高速スイッチング性能を活かしつつ、従来のシリコンゲートドライバで簡単に制御できます。 カスコード方式は、堅牢性の向上、高電圧動作、および既存回路トポロジーとの互換性を提供するため、高効率の電源アプリケーションに適したソリューションとなっています。 詳細については、 D-mode アーキテクチャのホワイト ペーパーをご覧ください。
主な応用分野： エネルギー、EV充電、モーター制御、自動車
再生可能エネルギー源の普及に伴い、ポータブルで効率的な電力システムのニーズが高まっています。 GaNベースのソリューションは、USB-C電源システムを小型・軽量・高効率化し、より高速な充電とエネルギー変換率の向上により、再生可能エネルギーの携帯機器への統合を加速させます。
詳細については、 240W USB PD AC/DCアダプタ ソリューションを、その他のリソースについては 電源アダプタおよび充電器 ソリューションページをご覧ください。
EVの普及が進む中、スマート充電ソリューションは効率性と監視機能の面で重要性を増しています。 GaNとMOSFETを用いた電力電子技術は、高効率・低発熱・高速スイッチングを実現し、EV充電システムの性能を向上させます。 これらのアプリケーションページにアクセスして、 X-in-1統合 やその他の安全で効率的でスケーラブルな 電気自動車およびハイブリッド車(EV/HEV) ソリューションにどのようなメリットがあるかをご覧ください。
最新のAI駆動型モータ制御ソリューションでは、GaNと低電圧MOSFETを活用することで、制御精度と効率が向上しています。 Edge AIは、ロボティクスや産業オートメーションにおいて、リアルタイム制御、予測保守、省エネを可能にします。 AIベースの制御アルゴリズムと高性能パワーデバイスの融合により、モーター性能が向上し、消費電力が削減されます。 高電圧GaN技術は、損失の低減と電力密度の向上により、産業・自動車分野の電力変換を革新しています。 高電圧GaNベースのコンバータは、より優れた電力処理機能を備えた、より小型で軽量な設計を可能にします。 これを1.2kW高電圧GaNインバーターソリューションで実際にご覧ください。 その他の高電力 AC ドライブの設計については、 Motor Drives & Robotics applications ページを参照してください。
GaN FETおよびMOSFETは、電力損失を最小限に抑え、安全性を高め、堅牢な性能を実現することにより、車載アプリケーションで重要な役割を果たします。 例えば、上記のEVシステムでは、複数のパワー機能を1つのX-in-1 E-Axleソリューションに統合することで、効率が大幅に向上し、システムの複雑さが軽減されます。 GaNテクノロジーは、電力変換効率を向上させ、サイズと重量を削減し、最終的に、インバーター、オンボードチャージャー(OBC)、DC / DCコンバーター、および配電ユニット(PDU)を組み合わせる際の重要な要素である走行距離と信頼性の向上に貢献します。 詳細については、その他の EV充電インフラストラクチャ ソリューションをご覧ください。
成長を続ける電動二輪車市場では、効率的な48VブラシレスDC(BLDC)モータ制御ソリューションが不可欠です。 FOM(性能指数、RDSon x QG)が最適化された低電圧MOSFETは、より高いスイッチング周波数、損失の低減、熱性能の向上を可能にし、軽量・高加速・長寿命の電動パワートレインが実現します。
まとめ
GaNと低電圧MOSFETは、複数の領域にわたってパワーエレクトロニクスに革命をもたらしており、ルネサスは、再生可能エネルギー、EV充電、モータ制御、および次世代の自動車アーキテクチャ向けの効率的で高性能なソリューションを提供することで、これらのイノベーションを推進しています。 これらの技術は、継続的な進歩により、将来の産業用および車載用アプリケーションにおける電力効率、信頼性、および統合性をさらに向上させます。
ルネサスのGaNおよびMOSFETソリューションの詳細、およびデータシートとサンプルを入手するには、 GaNパワーディスクリート および パワーMOSFETの Webページをご覧ください。 開発を加速するための当社システムソリューションやブロック図については、 アプリケーション ソリューションのページをご覧ください。