パワーモジュール高密度化の主な要因

パワーと体積密度の関係

パワーソリューションは、システム全体のサイズ、体積効率、システム部品コスト、および電力密度を決定するため、テントの中の長いポールのような存在であることで有名です。一般的に、これらの要素は、サイズ、重量、パワー（別名: SWaPファクター）特性など、システムの一般的なメリット（FOM）に分解され、コスト指標と組み合わせると、SWaP-C ファクターとも呼ばれます[1]。電力密度は、一般的にソリューション全体の体積に対する利用可能な総電力の関数であり、コンポーネントサイズが電力密度と逆の関係を持つ傾向があるのはそのためです。ソリューション全体の質量（通常、地球上の重量に変換される）と組み合わせると、出力密度の測定基準がさらに一歩進みます。これは、以下のコンテンツでさまざまな観点からレビューされているように、テザリングされていないアプリケーションで重要な FOM になる可能性があります。

電力密度は、システム全体の体積の一部であるパワーソリューションの状況で特別に特徴付けることができるため、電力密度と体積密度を区別するのもよいことです。一般に、電力密度は常に上昇しますが、体積密度は、主要なシステム負荷のサイズ（およびおそらく電力要件）が縮小したり、世代間で同じ体積でより多くの作業を実行する機能が高まったりすると低下し、パワーソリューションに直接見られる傾向とは異なる傾向を示すようになる場合があります。業界は、こうした傾向の不一致を、ドル/ワット（$/W）のような単純化されすぎたひどい指標で正当化しようと試みてきましたが、これは類似性の高い電源の比較を行わない限り、ほとんど意味を成しません。

パワーソリューションを評価し、その技術的な影響や経済的な貢献を評価する際のあらゆる側面と同様に、一次的な分析にとどまらない視点が極めて重要です。電力消費とエネルギー効率は、しばしば「モグラたたき」のようなゲームになることがあり、あるサブシステムで最適化すると別の領域で性能が低下することがあります。このため、このアプローチをとると、システムレベルの効果的な影響は同じか、さらに悪化することがあります。典型的な例としては、窒化ガリウムや炭化ケイ素などのワイドバンドギャップ・パワースイッチの電力密度が向上し、一部の電力コンポーネントの削減を可能にするスイッチング周波数の増加を利用して、物理的に小さい（電力処理能力が向上していても）パワートレインを実現できる場合が挙げられます。しかし、その結果、より小さな形状でより高密度な電力散逸を処理するために、より大きな（そしておそらくコストの高い）熱緩和ソリューションが必要になったり、システムを液体冷却に追い込んだりすることもあります。また、無いよりあった方が良い「小さな」機能が、ソリューションのサイズやコストに不釣り合いな影響を与えることもしばしばあります。例えば、コネクタ（特にブラインドメイトタイプ）やファンは、大型になる可能性があるため、SWaP-C 分析のすべての FOM に非常に大きな影響を与える可能性があり、電気機械部品はシステムの品質と信頼性を最大限に高めるためのボトルネックにもなっています。

パワーソリューションは、ムーアの法則やマイクロエレクトロメカニカルシステムデバイスのような負荷側のアイテムに見られるような速度でスケールするわけではありません。つまり、システムロードマップでは、ほぼ前年比でプロセスノードが向上するため、パワーソリューションのサイズが指数関数的に縮小する（あるいは逆に電力密度が指数関数的に増加する）ことを計画することはできないのです。とはいえ、パワーソリューションは、負荷の増大する要求を独自の方法で満たすことで負荷のサイズ/性能の向上ペースを維持するのに役立つことがあります[2].

電力密度に大きな影響を与える機能セット

この電源のシャーシカバーを取り外した写真（上）を見てください。この箱の容積のほとんどが実際の電源部品で占められているように見えますか？それとも、コネクタ、配線、ファン、さらにはヒートシンクやエンクロージャが容積の大部分を占めているように見えますか（空きスペースもあります）？実際のパワートレインがパワーソリューション全体の容積、ひいては達成可能な全体の最大電力密度に与える影響がいかに小さいかを知ると、非常に驚かされることがあります。繰り返しになりますが、このような理由から「$/W」のような指標は、同一製品の関係にない（例えば、機能がほぼすべて同じで、パワートレイン部品の電力定格だけが大きく異なる）電源設計評価には不適切なのです。

安全認証や高電圧入力（例：2次元と3次元のスペーシング要件の増加）、より過酷な動作環境などのニーズに対応するための要件は、ソリューション密度に大きな影響を与える可能性があります。ネットワーク機器構築システムの認証が必要なアプリケーションなど、より厳しい電磁両立性（EMC）や衝撃・振動レベルを満たす必要がある場合、より大きなフィルター部品と、より大きな質量の部品を固定するための強化された機械的サポートによって、バルクとボリュームが消費されます。そのため、接着剤やシーラント（室温で固まる液状のシリコーンゴム、つまり「室温加硫（RTV）コンパウンド」が一般的）、ストラップ、さらにはポッティング（エポキシ・ポリマー材料に完全に浸し、熱移動を促進するとともに電気的および外部環境から絶縁）などが必要となる場合があります。このような大型の部品や、安全性・認証、熱・環境対応などのための補助材料の後付けは、ソリューション全体の重量につながり、したがって密度の指標にもなります。

パワーソリューションは、機能的な電気ベンチ認定テストに加えて、包括的な品質試験と加速寿命試験に耐えていることから、これらのテスト設定と合格要件は設計段階で考慮する必要があり、テストプランにどのような影響を及ぼす可能性があるのかがわかります。しかし、大型で複雑な設計の場合、故障の頻度が高くなり、また、故障時にアセンブリやコンポーネントにアクセスすることができないため、適切な是正措置を講じるための故障解析に支障が出る可能性があります。

密度駆動型パワーソリューションのSWaP向上への可能性

SWaP指標を推進する最大の貢献者は、関連するFOMを改善する最大の機会でもあります。すなわち、主な要因は、フィルター部品、電気機械部品、およびこれらの大型部品や緩い部品の質量を支えるために必要なあらゆるものです。これらの要因を特定し、システム設計におけるコンポーネントとその個々の寄与を分離することで、設計者は一連のサブタスクと検証のための専用テストに全体最適化を集中させることができます。

EMCの要件を満たすフィルターのために計算され、選択された部品は、しばしば注目すべき項目のリストの最上位にあります。大容量のコンデンサや、より大容量で高密度な磁性体は、一般的に最も悪い影響を与えますが、驚くことに、多くの設計者がフィルター設計に慣れていないため、最適化を検討する際にあまり注目されない傾向があります。フィルター設計は極めて主観的であり、より複雑なソリューションでは芸術的でさえありますが、パワー設計/品質に少しでも関連するすべての設計者がフィルター設計と最適化に関する基本的なトレーニングに慣れることを強くお勧めします [3] [4] [5] 。重要なトレードオフは、フィルター部品の FOM（より高性能な部品は、より大きく、より重くなる傾向がある）と許容可能なコンプライアンスレベル（通常、エミッションレベルの観点から）です。 注: ある周波数に対して望ましくないエネルギーに対処するための最良の戦略は、緩和です。つまり、設計を最適化してノイズの原因を排除または削減してから、そのような望ましくないエクスカーションに対処してキャプチャするフィルタリングにマニアックな焦点を当てるように試みてください。この例として、パワードライバ/コントローラがスペクトラム拡散クロッキングをサポートし、エネルギーをより広い周波数スペクトルに分散させることで、より高負荷なフィルタリングの必要性を低減することができます [6].

電源サブシステムを分離することも、密度を向上させるための優れた方法論となり得ます。電源ソリューションを分離することは集積度指標を向上させるために統合を推進する議論では少し直感に反するように思えるかもしれませんが、1つのソリューションに多くの機能を詰め込もうとすると収穫が少なくなることがあります。特に、電源設計におけるすべてのノブと変数を考慮すると、「分割と征服」のアプローチを取ることがより理にかなっている場合があります。例えば、入力側では広いレンジをサポートし、出力側では絶縁や厳しいレギュレーションを必要とするシステムのパワーレールでは、広い入力比に最適化したものと、レギュレーション/絶縁に最適化したものと、別々のソリューションで最適化することができます。もう一つの一般的な例は、大型の単相コンバータを、それぞれがより少ない電力を処理する小型の多相コンバータに変更することで、部品の小型化、電気/熱ストレスの低減、さらには部品FOMをさらに改善するためにスイッチング周波数を高めることができます。

フィルター値の最適化、個々の部品の最適化、あるいは最も効果的な分解ソリューションなど，設計者がこれらの目標を達成しながら，特に商用オフザシェルフ（COTS）ソリューションで最先端（SOTA）を活用するためのあらゆる種類のソリューションがあることは確かです。特にスイートスポットと言えるのは、低電圧DC/DCパワーコンバータの3次元パワーパッケージ（3DPPR）分野での大きな進歩です。高度なパッケージング技術により、電力変換および電力管理ソリューションは上記のSOTA技術の多くを活用し、高密度の集積コンポーネントに統合することができるようになりました。特にフィルター部品は、プレーナマグネティックス、オーバーモールドパッケージ、マルチチップモジュールなどの形でパワーモジュールに異種集積されています。3DPPRは、COTSソリューションへのアクセスを利用しながら、これらの技術の最良のものをSWaP最適化に貢献させることができます。

結論

パワーソリューションにムーアの法則はありません。特に、SWaP-C指標を支配する傾向にあるエネルギー貯蔵デバイスを考慮すると、それが電力密度やシステム全体の密度を決定するほぼすべてのノブを駆動します。パッケージングは、パワーソリューション（特にモジュールやその他の既製品）が、負荷側の密度の進歩に追いつくための非常に大きな推進力となる傾向があります。

W/m3 などの指標を向上させるために出力密度を追求することは、コストや開発期間の増加、効率や信頼性の低下に至るまで、多くのプロジェクトにおいてトレードオフを伴う高価な取り組みとなる場合があります。希望する機能の真の影響を考慮し、コスト、スペース、効率（もちろんプロジェクトのスケジュールも）に対する影響が、現在取り組んでいるアプリケーションにおいて本当に正当化されるかどうかを検討することが重要です

とはいえ、先進的なパッケージングで密度を高め、3DPPR技術や製造自動化を活用することでSWaP-C指標を改善できることも検討されており、ここで絶対ということはないでしょう。一般に、設計の複雑さが増すと、製造歩留まりの低下（または余分なリワークによる生産速度の低下とコスト増）というリスクが生じますが、手動で行っていた組立プロセスを自動化すれば、より厳密に制御されたプロセスステップの高度統合ソリューションが可能になり、パワーモジュール密度の向上と同時に信頼性を高めることができるかもしれません。プレーナプレーナマグネティックスの利用が拡大しているのは、その好例と言えるでしょう。

電力密度の向上は、熱対策においてより多くの課題を引き起こす傾向があります。より小さなスペースに閉じ込められた熱は、効果的に周囲に拡散させ、伝達することがより困難になります。熱を効率よく外に逃がせない場合、部品の温度上昇が大きくなり、信頼性の低下につながります。このため、パワーモジュールの密度を追求しても、設計の他のSWaP-C目標が犠牲にならないように、パワー設計がシステム全体に与える全体的な影響を考慮することが重要です。特に、熱や品質に関連する製品寿命の予測に関しては、密度が保証分析およびサポートコストに影響を与える可能性があります。

参考文献

[1] “Power Supply Design for maximum Performance,” RECOM Blog, Oct 21, 2022, https://recom-power.com/en/rec-n-power-supply-design-for-maximum-performance-229.html (accessed February 15, 2023).
[2] “Power Modules are Catching up with Moore’s Law,” RECOM Blog, Nov 11, 2022, https://recom-power.com/en/company/newsroom/blog/rec-n-power-modules-are-catching-up-with-moores-law-235.html (accessed March 13, 2023).
[3] “Specifying line inductors for power converter noise filters,” RECOM White Paper, https://recom-power.com/en/support/technical-resources/whitepaper/whitepaper-specifying-line-inductors/whitepaper-specifying-line-inductors.html.
[4] “Very low noise filter for isolated DC/DC converters,” RECOM Blog, Mar 4, 2019, https://recom-power.com/en/company/newsroom/blog/rec-n-very-low-noise-filter-for-isolated-dc!sdc-converters-46.html (accessed March 13, 2023).
[5] S. Roberts, “DC/DC BOOK OF KNOWLEDGE – Practical tips for the User,” Fifth Edition, RECOM Engineering, 2021.
[6] Wikipedia contributors, “Spread spectrum,” Wikipedia, The Free Encyclopedia, https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Spread_spectrum&oldid=1138317993 (accessed March 13, 2023).