電力密度を制限する要因

技術者と研究者の皆様は、電力密度を向上させる方法を長年にわたって見つけようとしてきました。これは難しい課題です。多くの場合は、エネルギー変換に使用する受動部品のサイズを縮小することを重視してきました。図 4 に示すように、インダクタ、コンデンサ、トランス、ヒートシンクは多くの場合、電源ソリューションのサイズで最大の比率を占めています。半導体スイッチと制御回路はかなり小型で、集積も進んでいます。

受動部品のサイズを節減する方法1 つのシンプルな解決策は、スイッチング周波数を高くすることです。スイッチング・コンバータ内の受動部品は、スイッチング・サイクルごとにエネルギーの蓄積と解放を行っています。スイッチング周波数を高くすると、1 回のサイクルで取り扱うエネルギー蓄積量が少なくて済みます。たとえば、降圧コンバータ内のインダクタに関係する設計式である式 1 について考えてみます。

ここで

• L はインダクタンス
• D はデューティ比
• ΔI_L はインダクタの電流リップル
• f_SW はスイッチング周波数
• V_L はインダクタの両端電圧

必要なインダクタンス (L) は、スイッチング周波数 (f_SW) に反比例します。スイッチング周波数が高くなると、インダクタンスは小さくて済みます。インダクタンスを小さくすると、インダクタは小型化し、スペースの節減につながります。スイッチング周波数が 400kHz のときと 2MHz のときに、3A、36V のコンバータで必要になるインダクタのサイズの違いを、図 5 に示します。

スイッチング周波数を高くすると、サイズに関する他の利点も実現できます。スイッチング周波数を高くすると、制御ループの帯域幅が広くなります。その結果、より小さい出力容量を使用して、過渡特性に関する要件を満たすことが可能になります。より小さいインダクタンスと容量を使用して差動モードの電磁干渉 (EMI) フィルタを設計できるほか、磁気コアの材料を飽和させずに、より小型のトランスを使用することができます。

では、誰もが単純にスイッチング周波数を高くするとは限らないのは、なぜでしょうか？結局のところ、理論としては簡単ですが、実践には課題が付きまといます。パワー・コンバータで使用する受動素子すべてのサイズを少々縮小することに成功した場合でも、電源ソリューションのサイズをそれ以外の方法で縮小する機会は依然として残っているからです。パワー・スイッチ、ゲート・ドライバ、モード設定用抵抗、帰還回路の部品、EMI フィルタ、電流センシング部品、インターフェイス回路、ヒートシンク、その他多くの部品は、貴重な面積を占有しています。電源全体の設計にとって、これらの素子すべては、電力密度を高めるうえで周波数の上昇ではなく技術革新が重要な役割を果たす分野です。電力密度を向上させようとする設計者の皆様に制限を課す主な要因について説明します。