電力密度を制限する要因：スイッチング損失

スイッチング周波数を高くすると電力密度が向上する可能性がありますが、現在のパワー・コンバータが一般的に MHz を上回る周波数を利用していないのは、1 つの理由があるからです。スイッチング周波数を高くすると、望ましくない副作用も発生します。スイッチング損失が増加し、それに伴って温度が上昇します。いくつかの支配的なスイッチング損失が主な原因になって、この現象が発生します。

このようなスイッチング損失について理解するには、業界のいくつかの命名規則について理解することが重要です。半導体デバイスで、そのデバイスに関連付けられる電荷の量は通常、オン状態の抵抗 (オン抵抗) に関係しています。オン抵抗が小さいと、結果としてゲート電荷と寄生容量が大きくなります。オン抵抗 (Ron) と電荷 (Q) に関するこのトレードオフは多くの場合、RQ FoM という値で定量化します。この値は、オン抵抗 x (デバイスを動作電圧でスイッチングするために端子に供給する必要がある合計電荷) という形で定義されます。さらに、目標のオン抵抗を実現するためにデバイスが占有する面積を、多くの場合は Rsp (specific on-resistance、特性オン抵抗) と呼び、オン抵抗 x 面積という値で表現します。導通損失を低減するために、MOSFET (metal-oxide semiconductor field-effect transistor、金属 - 酸化膜 - 半導体の電界効果トランジスタ) のオン抵抗 (R_DS(on)) を小さくすることが考えられます。ただし、オン状態の抵抗を小さくすると、デバイスのスイッチングに関連する損失が増加し、ダイ面積全体の増加とコスト上昇を招きます。

実装とアプリケーションによって、さまざまなスイッチング損失が電力損失全体に及ぼす影響は異なる可能性があります。各種損失の詳細については、アプリケーション・ノート『同期整流降圧コンバータの共通ソース・インダクタンスを考慮した電力損失計算』を参照してください。このホワイトペーパーの目的に沿って、ここではある降圧コンバータの例について考え、各損失成分に関連付けられる主な制限要因に注目します。