スイッチング損失の革新

優れたデバイス性能と FoM (性能指標) を達成するには、半導体テクノロジーへの投資が明らかに必須です。これに該当するのは、既存のテクノロジーを改善するための革新、または根本的に優れた性能を示す新素材の開発です。たとえば、高電圧のスイッチング・アプリケーションに適した窒化ガリウム (GaN) テクノロジーです (GaN の最大耐圧はおおむね 600V)。

図 7 は、3.3V を 1.8V に変換するテキサス・インスツルメンツの各種降圧コンバータを、さまざまな電源プロセス・テクノロジーの間で比較しています。TPS54319 はテキサス・インスツルメンツの以前の電源プロセス・ノードを使用しているのに対し、TPS62088 は、RQ FoM (オン抵抗と電荷に関する性能指標) がより小さい、テキサス・インスツルメンツ最新の電源プロセスを使用しています。効率曲線が示しているように、TPS54319 が 2MHz のスイッチング周波数で動作するのに対し、TPS62088 は 4MHz のスイッチング周波数で動作しながら、事実上同等の効率を維持しています。スイッチング周波数の上昇に伴い、外部インダクタのサイズを半分にできます。さらに、テキサス・インスツルメンツの新しい電源プロセス・ノードは R_SP の大幅な縮小も実現するので、全体のパッケージ・サイズは 4mm² から 0.96mm² に小型化します。このサイズ縮小は電力密度の観点で非常に魅力的ですが、温度上昇の観点では課題を招くことにもなります。この点については、この後のセクションで取り組みます。

TPS54319 はテキサス・インスツルメンツの以前の電源プロセス・ノードを使用して 2MHz のスイッチング周波数で動作するのに対し、TPS62088 は、スイッチング FoM を改良したテキサス・インスツルメンツの最新の電源プロセスを使用し、4MHz のスイッチング周波数で動作します。

GaN は、逆回復時間が 0、小さい出力電荷、高いスルーレートという独自の組み合わせを実現しているので、ブリッジレス力率補正など、新しいトーテム・ポール・トポロジーを実現できます。このようなトポロジーは、効率がより高く、従来のシリコン MOSFET が到達できなかった電力密度を達成できます。図 8 は、600V で動作するテキサス・インスツルメンツの GaN テクノロジーと、業界で最高クラスに位置するいくつかのシリコン・カーバイド (SiC) デバイスやスーパージャンクション・シリコン・デバイスを直接比較しています。テキサス・インスツルメンツの GaN テクノロジーは、損失を大幅に低減し、高い周波数を実現しています。