SiC／GaNを生かすには「磁性部品のPCB統合」が鍵に：PCIM Europe 2019（1/2 ページ）

パワーエレクトロニクスの展示会としては世界最大規模の「PCIM Europe 2019」（2019年5月7〜9日）が、ドイツ・ニュルンベルクで開幕した。1日目の基調講演には米国Virginia TechのFred Lee氏が登壇し、「Next Generation of Power Supplies」と題した講演を行った。

[村尾麻悠子，EE Times Japan]

　パワーエレクトロニクスの展示会としては世界最大規模の「PCIM Europe 2019」（ドイツ時間：2019年5月7〜9日）が、ドイツ・ニュルンベルクで開幕した。

Virginia TechのFred Lee氏

　1日目の基調講演にはVirginia TechのFred Lee氏が登壇し、「Next Generation of Power Supplies」と題した講演を行った。Lee氏は、「既存のパワーエレクトロニクス製品は、スイッチング周波数、効率、パワー密度など、いずれの点においても大幅に進化してきた。だが、これらを活用した既存の電源設計では、性能の上限が近づきつつある」と指摘し、SiC（炭化ケイ素）やGaN（窒化ガリウム）などのWBG（ワイドバンドギャップ）パワーデバイスが活用することが、鍵になると強調した。

SiC／GaNを生かせる設計手法を提案

　Lee氏は「GaNとSiCは、パワーエレクトロニクスにおいてゲームチェンジャーとなるのか」という疑問を聴衆に投げかけた上で、大きく3つの課題を挙げた。EMI（電磁妨害）、EMC（電磁両立性）をどう改善するか。集積、とりわけ磁性部品をどう集積するのか。そして、パワーエレクトロニクスのプリント配線板（PCB）製造において、いかに人手を減らせるか、である。Lee氏は、これらの解決につながる可能性がある電源の設計方法を、「OBC（On-Board Chager）にSiCとGaNを用いた場合」を例に挙げていくつか提案した。

こちらが、従来のOBCの回路。「これはSi（シリコン）デバイス向けであって、高周波には適していない」（Lee氏） （クリックで拡大）

　高周波におけるWBGパワーデバイスを使ったトポロジーでは、前段は、SiCを使ったZVS（Zero Volt Switching）トーテムポール型PFC（力率改善）回路、後段はGaNを用いたCLLC共振型DC-DCコンバーターを採用する方法を提案した。「こうすれば前段は300kHz、後段は500kHzで駆動できる」とLee氏は述べる。

高周波におけるWBGパワーデバイスを使ったトポロジー（クリックで拡大）

磁性部品をいかにPCBに統合するか

　講演を通してLee氏が最も強調した点の1つが、磁性部品だった。磁性部品をいかに減らして設計をシンプルにするか。そして、いかに磁性部品をPCBに統合できるかが鍵になると主張した。

磁性部品を集積する方法。1個のトランスを4つのトランスに分けることで、磁性部品の数を、前段36個、後段36個から前段12個、後段12個にまで減らすことができるとする（クリックで拡大）

Lee氏は、PCB（プリント配線板）巻線インダクターを使うことも提案した。一般的なインダクターを使う場合に比べて、巻線損失もコア損失も増加するが、2つの巻線の巻き方を交互にする（図中の「PCB winding w/ interleave」）ことで、インダクターをPCBに統合できるというメリットを生かしつつ、損失を許容範囲に抑えられるとする（クリックで拡大）