東芝はこのほど、48ボルトから1ボルトまでの動作電圧範囲を実現する新たな非絶縁DC-DCコンバータ技術を発表した。これらのデバイスは、DC−DCコンバータにおける負荷電流を増加させるサーバとデータセンターの需要増加による伝導損失の問題を解決します。より高い負荷電流と伝導損失は熱を発生し、全体の効率を低下させる。

これらの損失を軽減するために、業界標準では入力電圧を12ボルトから48ボルトに引き上げています。これにより、所与の電力レベルでの電流が低減され、伝導損失が低減される。しかし、この転換はDC-DCコンバータの設計にも新たな挑戦をもたらし、特に降圧トポロジにおいて。

東芝は、新しい星三角形スイッチングトポロジが業界最高の電流密度を実現し、48ボルト入力と1ボルト出力を持つDC-DCコンバータICに変圧器を使用する需要を解消したと主張している。

東芝、星−三角スイッチを用いたトポロジ.

2024年のIEEE VLSI技術と回路シンポジウムで、東芝は新しい48ボルトから1ボルトの非分離DC-DCコンバータ技術を展示した。試験装置は790 mA/mm²までの電流密度と88%までの電力変換効率を達成した。

東芝によると、スターデルタスイッチングトポロジは、パルス幅の拡張を管理するために一般的に使用されるトランスの需要を解消した。逆に、東芝はインダクタンスと容量の混合構成を用いて、FETsによって入念に制御し、外部コンポーネントの体積と数量を大幅に削減した。東芝によると、スターデルタトポロジはパルス幅の拡張比あたりの容量数を0.8から1.0に、0.5から0.6に減らしたという。

東芝は一連のテストチップを通じてこのトポロジの有効性を示した。同社は、レイアウト面積を最大61%削減したブートストラップ回路と、アクティブバイアス電流スキームをサポートするレベル変換器回路を開発し、バイアス電流を最大92%削減した。

変圧器と容量の体積を除去する

降圧コンバータでは、入力電圧を48ボルトに引き上げるために、駆動電力スイッチのパルス幅は12ボルト時より4倍短くなければならない。この減少したパルス幅は、オン状態とオフ状態との間の遷移がより頻繁になり、効率が低下するため、スイッチング損失を増加させる。これらのスイッチング損失は、システム全体の電力変換効率を直接低下させる。

デザイナーは通常、これらの効率的な問題を解決するために分離トポロジにトランスを使用します。変圧器はパルス幅を拡張し、スイッチング損失を防ぐことができますが、設計のために顕著な体積を増加させることもでき、これは空間的に制限された応用において問題です。

非隔離ハイブリッドトポロジはコンパクトな代替案である。これらの設計では、インダクタと容量の組み合わせを使用して、膨大な体積のトランスを必要とせずにパルス幅の拡張を管理しています。トランスベースのソリューションに比べて、この方法はコンバータの総体積を10～100倍に減らすことができます。スペースを節約できる利点があるにもかかわらず、ハイブリッドトポロジは独自の課題をもたらしています。

1つの顕著な欠点は、大量の容量が必要であることである。通常、パルス幅の拡張比1つにつき0.8〜1.0の容量が必要である。この増加した容量の数は、より高い外部コンポーネント密度とピン配線の混雑をもたらし、PCBレイアウトを複雑化し、設置コストを増加させた。追加の容量と複雑な配線により製造コストが向上し、システムの信頼性とメンテナンスに挑戦しています。