ルネサスのGaNを用いた高性能システムへの電力供給

業界のメガトレンドにより、よりエネルギー効率の高い電力変換の必要性が高まっています。 市場がより高い電力供給の効率、密度、信頼性を求める中、半導体のイノベーションはAI分野でも新たな領域へと進んでいます。 これにより、データセンターだけでなく、産業用および再生可能エネルギー/ストレージシステムでも効率性を求める動きが加速しています。 さらに、EVやHEVのOBCやDC/DC変換においても、急速充電・航続距離の向上・軽量化・低コスト化を実現するために、革新的な電力変換技術が必要とされています。 これらすべてのアプリケーションにおいて、速度、効率、フォームファクタ(電力密度)、およびコストが重要な課題です。

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シリコンは、電力変換の物理的限界に達しています。 現在の半導体の中で、これらの用途に対応できる新しいアーキテクチャを提供できるのはGaN（窒化ガリウム）であり、最も高い性能指数と低損失のスイッチングを実現し、高速・高周波動作を可能にします。 GaNは、物理的な特性により、従来のシリコンよりもはるかに優れた機能を発揮し、炭化ケイ素(SiC)よりも高性能です。 これまで、GaNの採用の多くは、信頼性と堅牢性の要求が比較的緩やかな低電力の民生用急速充電器で行われてきました。 しかし現在では、GaNによる高い電力密度と効率が、インフラ・産業・エネルギー・電動モビリティといった成長分野において、システムコストを下げるために不可欠な存在となりつつあります。

信頼性と設計上の利点

新しいテクノロジーではよくあることですが、すべての用途に同じ解決策が通用するとは限りません。 しかしながら、650V以上の高電圧・高出力が求められる分野では、いくつかの理由から、デプレッションモード(Dモード)GaNがエンハンスメントモード(Eモード)よりも優れたソリューションであると考えています。

• 堅牢性を高める完全絶縁ゲート
• 標準ゲート駆動により、複雑な駆動回路、負電圧による駆動、またはカスタムドライバが不要
• より高いスレッショルド電圧によるノイズ耐性の向上、負のゲート駆動は不要
• 飽和電流の温度依存性が低い
• 動的・静的なオン抵抗（R(on）の比率が良く、第3象限の損失を低減できる
• TO、SMT、上面冷却パッケージなど、パッケージの種類が極めて豊富

ホワイトペーパー「The Fundamental Advantages of Normally-Off D-Mode GaN」をご覧いただきますと、DモードGaNとEモードGaNの利点について詳しく知ることができます。

ルネサスは、高電圧、高電力の信頼性試験で業界をリードしており、SuperGaN^® プラットフォームのリリースにより、さらに強化しています。 また、最近の学会では、GaNの信頼性を正しく評価するための試験方法について発表しました。これは、実際の故障モードに基づいた加速試験手法です。

Renesasでは、JEDEC 47の認証試験（HTRB、HTGB、HTOLなど）を1000時間実施し、77個×3ロットで故障や性能変化がないことを確認しています。 AEC-Q101規格を超える試験も行っており、例えばHTOLは175℃で3000時間、HTGBは-35Vで実施しています。 HTRBや動的オン抵抗の変化は、特に重要な管理項目です。 前述のように、EモードGaNでは、高電圧HTRB後に動的オン抵抗が最大300%、静的でも最大30%変化することがあります。 最後に、短絡耐性（SCWT）も重要で、OCP（過電流保護）を適切に制御するか、チップ内部で2次元電子ガスを調整するような構造的な工夫によって管理する必要があります。 Renesasはこの分野で特許を持ち、最大5マイクロ秒のSCWTを達成しています（APEC 2024論文参照）。

さらに、ルネサスのGaNは、PFCおよびDC/DC変換でのリファレンスデザイン評価ボードで最大99%の効率を達成しています。

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GaNの採用が進むと、大口径ウェハーでの製造が必要になってきます。 また、Renesasは、GaNを8インチウェハーにスケールアップする取り組みを進めています。高電圧GaNプラットフォームで実証された信頼性を大口径ウェハーに拡張しています。 この点に関して、ルネサスは最近、米国の ポーラーセミコンダクター社とのパートナーシップ を発表し、既存の日本にある高品質な6インチウェハー製造拠点に加えて、2番目のウェハー製造拠点を確保しました。 米国、日本、台湾には、エピウェハー製造拠点があり、6インチ・8インチ両方に対応しています。

ルネサスのGaNは、PQFNなどの小型パッケージから、TOLT・TOLLなどの高出力対応パッケージ、TO-220・TO-247といった放熱性に優れたパッケージまで、業界でもトップクラスのラインアップを誇ります。 EモードGaNの競合製品では、リード付きのディスクリートパッケージは一般的に対応できません。

エコシステムをサポートする強力なプラットフォーム

GaNの価値を最大限に引き出すには、周辺技術との連携いわゆるエコシステムを活用する必要があります。 Renesasの強みの一つが「Powerエコシステム」で、制御IC・ドライバ・システム設計に関する豊富な知識と特許があります。 この技術力により、さまざまなGaN製品の開発が可能になります。 さらに、このコアノウハウにより、トーテムポールPFCからLLC、QRF/ゼロ電圧/ゼロスタンバイ電源ソリューション、およびGaNパワーステージを可能にする高電圧および低電圧、絶縁型および非絶縁型などのドライバに至るまで、GaNの主要なトポロジ用途でのコントローラを開発することができます。 システムソリューションと組み合わせることで、GaNの効果は、データセンター、AI処理、産業オートメーション、モーター制御、ロボット、電動モビリティなど、幅広い分野でさらに拡大します。

これらの実績をもとに、Renesasは第4世代「Gen IV Plus GaNプラットフォーム」プラットフォームを発表しました。オン抵抗（RDS(on)）と性能指数（Rsp）が15%改善され、スイッチング性能は最大50%向上しています。 これらの新しいデバイスは、AIサーバー、エネルギー貯蔵、xEVなどの数キロワットクラスのアプリケーションに対応しており、高密度・高効率・小型化・低コストを実現することができます。

この第4世代プラス新製品の詳細は、ルネサス公式サイト（renesas.com/gan-fets) をご覧ください。

「GaNと低電圧MOSFETが高性能システムにもたらす価値」については、ルネサス公式サイトで公開したブログ「How Your High-Performance System Can Benefit from GaN and Low-Voltage MOSFETs」をご覧ください。