窒化ガリウムでライダーの障害物を排除する

自動運転車が現実のものとなりつつあり、このアプリケーションは多くの高性能スマートセンサーを使用することで実現されています。 デジタルおよびマイクロコントローラー（MCU）分野の技術的進歩により、車線維持、アダプティブクルーズコントロール、追い越し中の死角を検出する構造など、先進運転支援システム（ADAS）用のさまざまなセンサーを作成できるようになりました。 ADASは、ドライバーにとって便利なツールであるだけでなく、より高い安全基準の要件を満たすためのソリューションでもあります。 LiDARはADASの最も重要な要素の1つであり、歩行者検出システム、死角検出、およびアダプティブクルーズコントロールを実現するために使用できます。 一般に、車両周辺のすべての要素を検出して調査する必要があるすべてのアプリケーションに適しています。 安全な自動運転車を実現するには、LIDARの設計が不可欠であることを理解するのは難しいことではありません。

LIDARとは何ですか？どのように機能しますか？

Lidarの正式名称は、光学的検出と測距、つまり、光学帯域内の電磁放射による（リモート）検出と測定です。 このデバイスは、古典的で単純なレーダー原理を使用していますが、違いは、レーザーパルスで構成されるビームを使用することです。 図1に示すように、光線源と任意のオブジェクトとの間の距離を計算するために使用される手法は、TOF（飛行時間）とも呼ばれます。 レーダーに比べて長距離でも解像度が高いため、より詳細な立体画像を取得でき、中央ユニットで処理して衝突を回避できます。
私たちは何十年にもわたってLIDARの原理を理解しており、その応用には医療、軍事、自動車などの多くの分野が含まれます。ただし、レーザービームを使用すると、いくつかの重要な技術的問題が発生します。一方で、レーザーが高解像度の光源であることが証明されている場合は、この機能を最大限に活用して、環境の形状を慎重に再構築できます。スキャンを介して;一方、それは高い機械的精度とナノ秒のパルス速度を持っている必要があります;さらに、レーダーの電磁波はレーザーの場合とは異なり、高い反射係数を持っているので、より多くを提供する必要がありますシステムのエネルギー。レーザービームは、LEDを流れる大電流（数十アンペアのオーダーでも）によって生成されるため、過熱を防ぐために、そのデューティサイクルは非常に低くする必要があります。高パルス速度と高エネルギーを実現するためには、システム内の電子機器に非常に大きな電力を供給する必要があります。したがって、システムの電力を増やすには、必然的に次の技術的課題が発生します。

●パワーデバイスの熱管理とヒートシンクの設計

●回路のエネルギー効率

●極端な温度に応じて適切なモジュールを見つける

●回路基板のレイアウトを最適化して、寄生成分を最小限に抑えます

LIDARの内部：レーザードライバー

LIDARのレーザーは、特別に設計された回路によって駆動されます。この回路は、短時間で大量の電流を供給することができます。通常のドライバは、電流スイッチとして機能するレーザーと直列の要素で構成されています。このタイプのドライバを実装するために最も一般的に使用される回路トポロジの1つは、コンデンサ放電共振回路です。

Q1とDLは、それぞれ起動するレーザーのスイッチとLEDです。コントローラの電源を切ると、C1コンデンサはすぐにVIN電圧まで充電されます。 Q1がオンになると、C1はDLおよびL1インダクタンスを介して放電し、共振回路を形成します。したがって、LEDの両端の電圧が順方向電圧VDLFより高くなるまで、レーザーを流れる電流は正弦波パルスiDLです。 DLの電圧がVDLF未満になると、C1は再び充電を開始します。

この単純な回路の利点はたくさんあります：

●寄生インダクタンスがわかっている場合は、それを使用できます。

●レーザーに伝達されるエネルギーは、VINに直接関係しています。

●シングルエンドスイッチング素子は1つしかないため、制御が簡単です。

●レーザーに送信されるパルスの持続時間は、スイッチングデバイスの制御導通時間よりも短くなります。

現実に直面すると、回路の技術的側面に矛盾が生じます。実際のLIDARシステムでは、従来のシリコンコンポーネント（MOSFETなど）は、レーザードライバーの実装に必要なパフォーマンスを提供できません。制御を強化するには、MOSFETのチャネルを非常に大きくする必要があります。これにより、寄生容量の充電が長すぎて、スイッチング周波数が低すぎてアプリケーションの要件を満たすことができなくなります。また、放熱管理で良好な結果を得るには、大容量で重量のあるラジエーターが必要です。

窒化ガリウムデバイスは、必要なパラメータを満たすことができます

上記の問題は、シリコンデバイスでは解決が難しく、電源や高周波分野に長けた経験豊富な技術者や設計者が行う必要があります。

革新的なワイドバンドギャップ技術デバイスには理想的な特性があり、現在の電子エンジニアはそのようなデバイスを使用して、LIDARシステムの自動車分野のニーズを満たすことができます。

窒化ガリウム（GaN）デバイスの電子移動度はシリコンデバイスの数百倍であり、そのエネルギーギャップは3.4eVです。同様のシリコン製品と比較して、GaN MOSFETは、伝導損失が低く、スイッチング速度が速く、熱性能が優れており、サイズとコストが小さくなっています。

これらの特性はすべて、ドライバ回線交換デバイスのニーズを満たすことができます。

総括する

商用機器での窒化ガリウムデバイスの使用はまだ始まったばかりです。 事実は、数年前には不可能または複雑すぎると考えられていたこのタイプの技術的ソリューションが、LIDARシステムのパワードライバーなど、多くの分野で成功を収めていることを証明しています。 したがって、今後数年間で、ワイドバンドギャップデバイスがパワーエレクトロニクスの分野で主流になり、「古い」半導体デバイスの技術的限界を解決できることは間違いありません。