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電源/電池/パワエレ
最新のパワー半導体の使い方から，高効率スイッチング電源やインバータの回路設計，大容量バッテリの充放電制御，自然エネルギの活用法などを紹介します．
ZEPマガジン
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高速×並列処理！電源制御マイコンの要件 モータでは50μs程度の制御レートで十分だが，電源では0.5μ～2μsの応答が必要．単一のCPUやDSPではなく，並列処理に対応したマルチコアCPUがよい |
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電子回路シミュレータLTspiceでCISPLE試験 CISPR規格に基づく伝導エミッション評価を回路シミュレータで模擬すると，実機測定前に問題点を把握できる |
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高効率化したいなら！不連続モードは重要な選択肢 スイッチング電源は，周期一定で臨界点近傍の動作を維持すれば，不連続領域でも安定な制御が可能であり，制御回路を複雑化せずに高効率が得られる |
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フライバック・コンバータの回路設計事例 USB電源供給下での安全性と低リプル化を重視し，ポリスイッチやLCフィルタを用いて安定した出力を実現するフライバック・コンバータ設計事例 |
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電源用絶縁トランスの1次巻き数の計算と磁束密度 電流容量，巻き数，線径を満たした安全で効率的なフライバック・コンバータ用の絶縁トランスの設計事例 |
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電源用絶縁トランスのコア材質とエネルギ蓄積容量 トランスのコア材質とサイズは，必要なエネルギ蓄積容LI^2に応じて決める．扱えるエネルギ量には上限があり，1次インダクタンスと最大電流の積で求める |
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フライバック・コンバータのスイッチング電流と電圧 フライバック・コンバータの出力電圧は，負荷で消費される電力とインダクタに蓄積されるエネルギのバランスで決まる |
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絶縁型スイッチング電源の回路方式の超定番 絶縁型スイッチング電源の回路方式の超定番はフライバック方式．1次側SW ONのときトランスにエネルギを蓄え，OFFのときに出力側にエネルギを放出する |
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超高スルーレートのSiC/GaNを安全に使う SiCやGaNのFETを安全に高速駆動するためには，誤動作防止のための分離構造，放熱設計に配慮が必要．特にケルビン・ソース端子の適切な扱いは信頼性確保に直結する |
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出力容量（Coss）が効率を悪化させる $C_{oss}$によりスイッチング時にエネルギが蓄積され，その蓄積エネルギはスイッチ動作時に損失として消費される．容量値の大きい素子を選ぶと，高速スイッチングにおいて不利に働く |
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SiC化による逆回復損失の低減 SiC MOSFETではボディ・ダイオードの構造上，$Q_{rr}$は1桁から2桁小さく，おおよそ1/100の損失に抑えられる．ハード・スイッチングでも大きな損失を伴わずに高効率を維持できる |
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電流連続モード設計が容易に！低Qrr SiC MOSFET Qrrは高周波スイッチング回路の効率と信頼性を左右する重要な因子．SiC MOSFETによってこの損失を抑えられることで，設計の自由度が高まり，電源回路の性能と信頼性が向上する |
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SiC GaN FETの高速ドライブ回路設計 車載のオンボード・チャージャを構成するPFC回路やLLC共振コンバータなどの高周波駆動が求められるブロックに，SiCやGaNといったワイドバンド・ギャップ半導体が導入されつつある |
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Si FETとJFETを縦積み！カスコード型 GAN FET SiC JFETとSi MOSFETを縦に組み合わせたカスコード構成は，ノーマリ・オン特性を扱いやすくし，ノーマリ・オフのような挙動を可能にする |
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GaN MOSFETの構造 GaN MOSFETの高速スイッチングを活かすためには寄生インダクタンスを抑えるレイアウトとデッドタイムの管理が重要 |
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SiCはSiの耐圧100倍，放熱効率3倍 SiC（炭化ケイ素）MOSFETは，シリコン（Si）ベースのMOSFETに比べて，同じドリフト層の厚さでも約30?40倍の耐圧が得られる特性をもつ |
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SiからGaN SiCまで！MOSFETの耐圧とオン抵抗 SiC（炭化ケイ素）は700Vから1200V，さらには1700V以上の高耐圧領域で普及が進んでいる．電気自動車や産業用インバータ向けに開発が進んでいる |
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GaNは横型，SiCは縦型 現在のGaNは，GaN on Siliconという形で横型のプロセスを採用．電子の流れが基板に対して平行方向に進むため，微細化によるスイッチング速度アップが可能 |
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スーパージャンクションMOSFET 高耐圧特性の理由 スーパージャンクションMOSFETは，P柱を利用した電界制御により，ドリフト層の厚みや抵抗を増やすことなく，高耐圧化と低オン抵抗を両立している |
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Si MOSFET内部の電流経路 パワーMOSFETは縦型プレーナ構造をもち，電流はソース（S）からドレイン（D）へ，シリコン基板の厚み方向に流れる |
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シミュレータはベテランになってから使うツール 正しくシミュレーションするためには，デバイス・モデルやPWMパターンの精度や発熱や冷却条件を含めた熱モデルが必要．使いこなすには十分な経験と知識が必要 |
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パワエレの故障原因探しは破壊と作り直しの連続 インバータの故障原因の特定には，結局のところ，電圧・電流波形，操作手順，モータ挙動などの記録作業と実験の積み重ねが近道 |
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想定外のVIAホール焼損 VIAホールの焼損防止には，電流密度計算と熱設計が必要．許容電流は単純な断面積比ではなく，メッキ厚や熱拡散条件を考慮して算出する |
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大電流対応に安易な層数増しは危険 大電流基板の放熱対策は，層数増しではなく，熱伝導経路の最適化が重要．内層配線活用時には，ビアの電流容量と層間銅箔厚の整合性を厳密に検証すべき |
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ゲート駆動の高速化による発熱とサージのトレードオフ ゲート駆動の高速化は，サージ電圧やEMIを増大させる．発熱とノイズのトレードオフを考慮した最適な速度がある |
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壊れない！壊さない！失敗だらけの電源・インバータ設計 インダクタンスは回路の高速性と安全性を左右する重要なパラメータ．小さな配線であっても無視できない影響をもち，高速スイッチング・デバイスでは重大なサージ源となる |
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IC実装済みモジュール 超高効率低雑音 LT8640 LT8640Sは，パッケージ内にセラミック・キャパシタを内蔵することで電力ループのインダクタンスを低減し，損失を10～20%削減した電源モジュール |
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最新リードレス電源ICの実力（ノイズ/効率/発熱） LT8640を始めとする最新リードレス電源ICは，MOSFET駆動技術やフリップチップ構造などの採用により，信頼性や発熱特性が大幅に改善されている |
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最新リードレス電源のノイズ対策技術 端子が外部に露出していない構造をもつパッケージのICは，寄生インダクタンスが低く，高周波特性の向上やノイズ抑制が期待できる．代表的な例がQFNやLGA |
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最新モノリシック電源IC その回路とパッケージ 外付け部品が減少し，基板面積を大幅に削減できるモノリシック電源ICは，スイッチング素子や制御回路を1つのシリコン・チップに統合する技術で作られる |
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リードレス・パッケージとその内部構造 リードレス・パッケージは高周波特性や放熱性能に優れるが，温度サイクルに弱い．FR5など膨張係数差が小さいものを選び，フィレット形成ではんだ接合部を補強する |
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高湿度下の端子間ショートと銅マイグレーション 高湿度環境下では，沿面距離不足や銅マイグレーションによる故障リスクが高まる．安全性重視パッケージ設計や基板洗浄の徹底が重要 |
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電源ICの最新パッケージと適材適所 端子間隔の広い安全性重視のパッケージを選べば，イオン・マイグレーションやウィスカの発生を抑制できる |
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電力回路の脈動電流は何層目に流す？ スイッチング電源ICの基板実装では，脈動電流とエディ電流の処理が重要．表層直下にグラウンド層を配置し，ノイズ干渉を最小化することで安定した動作が可能になる |
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電力部とアナログ部の干渉を回避する スイッチング電源ICの基板では，物理的な分離やグラウンド・プレーン分割，最適な部品配置によって，アナログ回路と電力回路間の干渉を避けることが重要 |
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電源IC各端子の干渉 電源ICのフィードバック端子など高感度部分は，レイアウト分離やグラウンド層設計が性能向上に寄与する |
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電源IC内部の高感度アナログ部に着目 電源IC内部の高感度アナログ部は，外来ノイズや内部干渉による影響を受けやすい．特に，高インピーダンス配線や分圧抵抗配置には細心の注意を払うべき |
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電源ICの内部回路は3ブロックに分けられる 電源回路設計では，内部回路とMOSFETやインダクタなど主要な外付け部品の役割理解し，パワー・ループ配線やノイズ耐性設計，熱管理など多岐にわたる要素を考慮することが重要 |
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ピーク電流制御型DC-DC変換の動作 ピーク電流制御型DC-DCコンバータの負荷変動や入力変動に対する安定性向上にはスロープ補償や適切なインダクタ選定が重要 |
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入力12V，出力5V/3A DC-DC電源IC LT8609A 最新のスイッチング電源ICの性能を引き出すには（1）電力スイッチング回路（2）出力電圧検出アナログ回路（3）制御ロジックの切り分けから |
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スイッチング電源入門 ノイズと発振への対応 小型な高効率電源「DC-DCコンバータ」は，高周波でトランジスタをON/OFFスイッチングするため大きなノイズを発生させます．実験でその対策を見てみよう |
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高効率と低雑音の両立！LLCトランスの巻き数決め LLCコンバータ電源は，高効率，低ノイズ，薄型・軽量という特長をもつ．性能を決めるトランスの巻き数設計は，飽和磁束密度の見積もりから始まる |
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手遅れになる前の熱流束計算 放熱は，プリント基板の設計初期段階における発熱の見積りが極めて重要です．部品の総消費電力/基板表面積（熱流束）が400W/m$^2$を超えそうなら設計を見直しましょう |
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動画で見る小型＆低雑音 LLCコンバータ用トランスの製作 高効率で低ノイズな電源回路”LLCコンバータ”の心臓部「トランス」は性能を左右する最重要パーツ．データ・センタやEVなど高効率が求められる分野で採用が期待される |
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製作と実験！チップ・キャパシタの構造と性質 電子回路の必需品 キャパシタの容量不足は回路の不安定動作に，耐圧越えは破損につながる．温度や応力による容量変動と劣化にも配慮することが重要だ |
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寄生容量の影響を最小化する高速ゲート・ドライバ設計 SiCやGaNで作られたMOSFETは，従来のSi MOSFETに比べて高効率かつ高速に動く．そのパフォーマンスを引き出す鍵は，寄生容量の影響を考慮した駆動回路設計だ |
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低ノイズなスイッチング電源回路のプリント基板設計 高周波成分を多く含むスイッチング電源回路の脈動電流は回路の誤動作を引き起こす．回避する重要な対策は多層基板のどこにGND層を設定するかだ |
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スイッチング電源の回路方式選び 電力変換技術の中で重要な役割を果たすスイッチング電源には，バック・コンバータ，バック・ブースト・コンバータさまざまな回路方式がある．その選び方の要点を解説 |
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昇圧型DC-DCコンバータの電圧変換メカニズム 高効率な電力変換を可能にする技術“PWM”制御の基本やモバイル・バッテリを入力源とする+12V/400mA出力の昇圧型DC‐DCコンバータの動作原理を解説 |
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【実験Before After】プリント基板の見方・描き方・作り方 HDMIやUSBの高速信号をスムーズに伝える技術を解説．適切な値の終端抵抗や始端抵抗のある配線とない配線を伝わる電気信号の波形を観察しながら学ぶ |
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低雑音＆高効率！LLC絶縁トランスの定数設計法 PFC義務化で注目の低雑音と高効率を両立するDC-DC電源「LLCコンバータ」のトランスの設計手順をボビン選びからSPICEシミュレーションまで解説する |
VOD教材［視聴無制限］
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［VOD/KIT/data］実験キットで学ぶ 初歩の電子回路設計 1石のトランジスタからアナログ技術の基本を学びとる |
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［VOD/data］高効率電源＆インバータ設計のための超高速トランジスタGaN/SiC活用術100 進化したデザイン・ツールを導入して次世代パワー半導体を使いこなす |
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［VOD/KIT/data］一緒に作る！LLC絶縁トランス×超高効率・低雑音電源 完全キット 実験とシミューションで高効率LLCスイッチング電源とトランスの設計技術を学ぶ |
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［VOD/KIT/data］実験キットで学ぶ 電源・アナログ回路入門 回路図の見方からOPアンプ入門，DC-DCコンバータの実用設計まで |
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［VOD］小型＆高出力！高効率電源設計のためのSiC/GaNトランジスタ活用 100の要点 実用レベルに達した次世代パワー半導体のパフォーマンスを引き出す |
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［VOD］事例に学ぶ放熱基板パターン設計 成功への要点 電子部品の天敵「熱」を上手に逃がす基板と放熱システムの正しい作り方 |
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［VOD］Before After！ハイパフォーマンス基板＆回路設計 100の基本【パワエレ・電源・アナログ編】/【IoT・無線・通信編】 電源/パワエレから5G/IoTまで，現場で役に立つハードウェア設計技術の要点を網羅 |
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［VOD］Before After！ハイパフォーマンス基板＆回路設計 100の基本【パワエレ・電源・アナログ編】 パワエレから電源/アナログまで！回路基板の設計技術の要点を網羅 |
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［VOD］Before After！ハイパフォーマンス基板＆回路設計 100の基本【IoT・無線・通信編】 IoTから無線/通信まで，回路と基板の設計技術の要点を網羅 |