高効率・低コストのオフライン電源を実現する統合GaNスイッチの使い方
著者 Jeff Shepard(ジェフ・シェパード) 氏
Digi-Keyの北米担当編集者 の提供
2021-07-29
マルツ掲載日：2021-11-29
AC/DC充電器やアダプタ、USBパワーデリバリ(PD)充電器、急速充電(QC)アダプタから、LED照明、白物家電、モータドライブ、スマートメータ、産業用システムに至るまで、小型100W電源の用途は増え続けています。これらのオフラインフライバック電源の設計者にとっての課題は、堅牢性と信頼性を確保すると同時に、低コスト化、高効率化、高電力密度のためにフォームファクタの削減を継続することです。
設計者はこれらの問題の多くを解決するために、シリコン(Si)製のパワースイッチを、窒化ガリウム(GaN)などのワイドバンドギャップ(WBG)技術を用いたデバイスに置き換えることができます。これにより、電源効率の向上やヒートシンクの削減につながり、より高い電力密度を実現できます。しかし、Siスイッチに比べて、GaNスイッチは駆動の難易度が高まります。
高速スイッチングに伴う浮遊インダクタンスや浮遊キャパシタンス、高周波発振などの問題を解決することは可能ですが、そのためには開発期間とコストがかかります。その代わりに、GaNパワーデバイスを内蔵した高集積のオフラインフライバックスイッチャICを利用することができます。
この記事では、GaNの利点とその設計上の課題について簡単に説明します。その後、Power IntegrationsのGaNパワースイッチを内蔵したオフラインフライバックスイッチャICのプラットフォーム3種を紹介し、高効率のパワーコンバータ設計にどのように利用できるかを示します。補完的なMinE-CAPバルクコンデンサの小型化と突入管理ICや、便利なオンライン設計環境についても説明します。
GaNとその優れた点とは?
GaNはWBG半導体の材料で、Siと比較して、低いオン抵抗、高い絶縁破壊強度、速いスイッチング速度、高い熱伝導性を有しています。Siの代わりにGaNを使用することで、ON/OFF時のスイッチング損失を大幅に低減したスイッチを実現できます。
また、等価オン抵抗のGaNデバイスは、Siデバイスに比べてはるかに小型です。その結果、一定のダイサイズであれば、GaNパワースイッチは伝導損失とスイッチング損失の合計が小さくなります(図1)。
図1：一定のダイサイズであれば、GaNデバイスはSi MOSFETに比べてオン抵抗が低いため、トータルでの損失が小さくなります。(画像提供：Power Integrations)
GaNには明確な利点がある一方で、設計上の課題もあります。たとえば、GaNデバイスはスイッチング速度が非常に速いため、駆動回路のレイアウトは、プリント基板やディスクリートGaNパッケージからの浮遊インダクタンスや静電容量に非常に敏感になります。
GaNデバイスを駆動する際に発生する高速の電圧変動(dv/dt)や高周波発振は、コンバータの効率低下を防ぐためにフィルタリングが必要な電磁妨害(EMI)をより多く発生させます。また、GaNデバイスの高速スイッチングは、保護回路が反応するよりも早くデバイスを損傷させるため、フォールト状態からデバイスを保護することが困難になります。
パフォーマンスを犠牲にしないシンプルさ
Power Integrationsは、これらの複雑な問題を解決するために、擬似共振型のInnoSwitch3-CP、InnoSwitch3-EP、InnoSwitch3-ProというPowiGaNスイッチャICを開発しました(図2)。
PowiGaNは、Power Integrationsが自社開発したGaNパワースイッチ技術で、InnoSwitch3オフラインフライバックスイッチャICの一次側にある従来のシリコントランジスタに代わるものです。その代わりに、一次、二次、フィードバック回路を単一の面実装デバイス(SMD)InSOP-24Dパッケージに統合しています。
これにより、ドライバレイアウトの複雑さやEMIの発生を低減するとともに、伝導損失やスイッチング損失を低減し、アダプタや充電器、オープンフレーム電源の効率化、軽量化、小型化を実現します。
このようなアプローチをとることで、電源の設計者は、困難なGaN技術に惑わされることなく、電力供給、熱性能、フォームファクタ、その他のアプリケーションの検討に集中することができます。
図2：GaNスイッチを搭載したオフラインフライバックスイッチャIC「InnoSwitch3」は、省スペースのInSOP-24Dパッケージで提供されます。(画像提供：Power Integrations)
PowiGaN技術を採用したInnoSwitch3の以下3つのファミリは、特定のクラスのアプリケーションに最適化されています。
・InnoSwitch3-CPは、一定の電力プロファイルの恩恵を受けることができるバッテリ充電などのアプリケーション向けです。
・InnoSwitch3-EPは、さまざまな民生用および産業用アプリケーションのオープンフレームAC/DC電源用です。
・InnoSwitch3-Proデバイスは、定電圧(CV)や定電流(CC)のセットポイント、安全モードのオプション、例外処理をソフトウェアで制御するためのI²Cデジタルインターフェースを備えています。
InnoSwitch3 ICは、擬似共振制御、全負荷範囲で最大95%の効率、さまざまなアプリケーションの要件を満たす高精度のCV、CC、定電力(CP)出力をサポートし、ロスのない電流センス技術を備えています。後者は、効率を低下させ、さらにはディスクリート設計の多くのGaNスイッチの抵抗を上回る可能性のある、外部の電流検出抵抗を必要としません。
その他の主な特長としては、二次側センシング、同期整流MOSFETの専用ドライバ、一次側と二次側コントローラ間のフィードバック接続にFluxLinkの誘導結合技術を採用し、4,000V超の交流(VAC)絶縁を実現したほか、グローバルなエネルギー効率要件への準拠、低EMI、安全性と規制への準拠(UL1577とTUV(EN60950とEN62368)の安全認証)、100%の負荷ステップに対する瞬時の過渡応答性などが挙げられます。
デジタル制御可能なオフラインCV/CC QRフライバックスイッチャIC
マルチケミストリバッテリ充電器、マルチプロトコルバッテリ充電器、調整可能CVとCC LEDバラスト、高効率 USB PD 3.0+プログラム可能電源(PPS)、QCアダプタ、その他類似のアプリケーションの設計者は、INN3378C、INN3379C、INN3370Cなどのフルプログラム可能なInnoSwitch3-Pro ICを、最大90WのAC/DCアダプタや最大100WのオープンフレームAC/DC電源に使用することができます(表1)。これらのデバイスは、出力電流の微調整や電圧調整が必要な場合にも有効です(10mV、50mAのステップに対応)。
表1：InnoSwitch3-Pro ICは、230VAC±15%入力、85～265VAC入力で動作する定格となっています。(表提供：Power Integrations)
InnoSwitch3-ProデバイスのI²Cインターフェースは、完全にプログラム可能な電源の開発と製造を簡素化します(図3)。出力電流と電圧の動的な制御が可能になります。また、電源の設定、CVの制御、CCとCPの設定、過電圧閾値や不足電圧閾値などの保護設定、故障の報告などを行うこともできます。
内蔵の3.6V電源は、外部のマイクロコントローラ(MCU)への電力供給に使用できます。さらに、無負荷時の消費電力(センスラインとMCUを含む)は30mW未満で、エネルギー効率に関する世界中の要件をすべて満たしています。
図3：InnoSwitch3-Pro ICには、フルデジタル制御と監視のためのI²Cインターフェースと、外部MCUに電源を供給するための3.6V電源(uVCC)が内蔵されています。(画像提供：Power Integrations)
ハードウェア構成可能ソリューション
デジタルプログラマビリティや監視を必要としないアプリケーション向けに、Power IntegrationsはInnoSwitch3-CP(図4)とInnoSwitch3-EPファミリのハードウェア構成可能ソリューションを提供しています。
InnoSwitch3-Proと同様に、InnoSwitch3-CPとInnoSwitch3-EPデバイスは、一次と二次のコントローラと、4000VAC超の定格を持つ強化絶縁機能を単一のICに搭載しています。保護機能としては、出力の過電圧・過電流制限、ACラインの過電圧・不足電圧保護、過熱保護などがあります。これらのデバイスは、高いノイズイミュニティを備えており、EN61000-4のクラス「A」レベルの性能を満たす設計が可能です。
図4：一次側と二次側のコントローラ間にFluxLinkの誘導結合フィードバック接続(破線)を有する典型的なアプリケーションでのInnoSwitch3-CPを示しています。(画像提供：Power Integrations)
USB PDやQCアダプタなどの用途で、最大100Wの高効率フライバックコンバータを設計する場合は、NN3278C、INN3279C、INN3270CなどのInnoSwitch3-CPデバイスが役立ちます(表2)。このQRスイッチャICは、一定の電力プロファイルを持つCVモードとCCモードを備えており、ラッチングと自動再起動の組み合わせを標準でサポートしています。ケーブルドロップ補正はオプション機能です。
表2：アダプタとオープンフレームの設計におけるInnoSwitch3-CPファミリの電力定格を示します。(表提供：Power Integrations)
需給計器、産業用やスマートグリッド用の電源、白物家電用のスタンバイ電源やバイアス電源、コンシューマ製品、コンピュータなど、常時電源動作を必要としないアプリケーションには、INN3678C、INN3679C、INN3670CなどのInnoSwitch3-EPデバイスを選択することができます(表3)。
表3：InnoSwitch3-EP ICの定格は、230VAC±15%でフル電力、85～265VACの広い入力範囲でディレーティングされた電力となっています。(表提供：Power Integrations)
InnoSwitch3-EPデバイスは、良好なマルチ出力のクロスレギュレーションをサポートします。出力電流センスは外付け抵抗で調整でき、CV/CC性能は非常に正確で外付け部品に依存しません。これらのQRフライバックスイッチャICは、オプションで自動再起動の出力不足電圧保護機能を備え、標準またはピーク電力供給のオプションで注文することができます。
バルクコンデンサの小型化と突入管理
InnoSwitch3 PowiGaN ICを使用する設計者は、AC/DC電源の部品数をさらに減らし、性能を向上させるために、相補的なMinE-CAPバルクコンデンサの小型化および突入管理ICを使用して、非常に高い電力密度の設計を行うことができます(図5)。
MinE-CAPによって入力バルクコンデンサの体積を最大50%削減することができ、突入電流制限用の負温度係数(NTC)サーミスタが不要になります。また、MinE-CAPを使用することで、入力ブリッジ整流器やヒューズへのストレスが軽減され、電源の信頼性が向上します。
図5：バルクコンデンサの小型化と突入管理IC「MinE-CAP」は、高密度AC/DC電源のオフラインフライバックスイッチャIC「InnoSwitch3」を自然に補完するものです。(画像提供：Power Integrations)
MinE-CAPは、InnoSwitch3 ICと同様に、PowiGaNデバイスの小型サイズと低オン抵抗を利用して、システムのパフォーマンスを向上させます。MinE-CAPは、ACライン電圧の状況に応じて、バルクコンデンサネットワークのセグメントを自動的に接続・切断します。
これにより、高いACライン電圧の動作には最小のバルクコンデンサ(図5のCHV)を使用しつつ、低いライン条件での使用ではエネルギー保管の大部分を低電圧コンデンサ(CLV)に配置することができます。
低電圧のコンデンサは高電圧のものよりもはるかに小さいため、MinE-CAPを使用することで、効率の低下や出力リップルの増加を招くことなく、また電源トランスの再設計を必要とすることもなく、バルク入力コンデンサの全体的なサイズを縮小することができます。
スイッチング周波数を上げてトランスを小型化するのと同じように、MinE-CAPを使うことで電源を小型化することができます。MinE-CAPソリューションは、使用するコンポーネントがより少なく、トランスやクランプの損失の増加やEMIの増加といった高周波設計の課題を解消します。
オンライン設計ツール
Power Integrationsは、PowiGaNを統合したオフラインフライバックスイッチャICであるInnoSwitch3シリーズを使用してオフラインフライバックAC/DC電源の設計を高速化するために、PI Expertも提供しています。
PI Expertは、自動化されたグラフィカルユーザーインターフェース(GUI)を中心に構成されており、電源の仕様をもとに、パワー変換ソリューションを自動的に生成します。設計者がパワーコンバータを試作やテストをするために必要なすべての詳細を提供します。PI Expertを使えば、数分で設計を完成させることができます。
PowiGaNベースのInnoSwitch3 ICを使用した設計は、SiベースのInnoSwitch3デバイスを使用した設計と同じです。PI Expertは、PowiGaNやSiデバイスのスイッチング周波数、EMIフィルタリング、トランス設計、バイアス、同期整流などを最適化する際にも同様に機能します。
このツールは、PowiGaNベースの設計の高出力化に対応するために必要な変更を自動的に実行します。また、インタラクティブな回路図、完全なBOM、詳細な電気的パラメータ、およびプリント基板レイアウトの推奨事項を作成します。その結果には、コアサイズ、ワイヤの太さ、平行ワイヤの数、各巻線のターン数、機械アセンブリのための巻線指示など、完全な磁気設計が含まれます。
まとめ
設計者は、AC/DC充電器やアダプタから産業用システムに至るまで、オフラインの100W電源の電力密度を高め、コストを削減し、開発期間を短縮する必要があります。GaN WGB技術を使用することは有益ですが、GaNを使用して設計するには、基板のレイアウトや、高速スイッチングに関わるその他の問題に注意を払う必要があります。
このように、InnoSwitch3 QRフライバックスイッチャICをベースにした、より統合されたアプローチにより、新技術の採用に一般的に伴うリスクを軽減しながら、GaNスイッチの性能上の利点を提供する、エレガントで高効率のパワーコンバータを開発することができます。
InnoSwitch3を、Power Integrationsの突入電流管理およびバルクコンデンサ小型化IC「MinE-CAP」や、同社のオンライン設計ツール「PI Expert」と組み合わせて使用することで、世界的な効率基準を満たす、部品点数が少なくコンパクトで堅牢、かつコスト効率の高い電源を、より迅速に実装することができます。
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