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パワーソリューション & テクノロジー
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ディスクリート電源部品
シリコン（Si）、シリコンカーバイド（SiC）、窒化ガリウム（GaN）半導体
ゲートドライバ
トランジスタ
ダイオード
サイリスタ
電源管理集積回路（PMIC）
リニア電圧レギュレータ
スイッチング電圧レギュレータ
電源
絶縁型電源
非絶縁型電源
絶縁型電源の制限
電源にはどのようなフォームファクタがありますか？
オフボード電源
基板実装電源
電源ブリック
電源の熱管理
ファン
ヒートシンク
熱伝導材料（TIM）
製品
パワーソリューション & テクノロジー
1次パワーエレクトロニクスのトポロジ：
DigiKeyのパワーエレクトロニクス製品は、主に3つのカテゴリに分類されます。
- ディスクリート電源部品：PMICと共に、または個別に使用することで特別にカスタマイズされたソリューションを実現するコンポーネントを指します。このレベルまで細分化することで、柔軟性を最も高めることができますが、一般的には非常に多くの開発労力と専門知識が必要となります。
- 電源管理集積回路（PMIC）：多岐にわたるアプリケーション固有のICまたはASICを指します。PMICは一般的に、完全なソリューションを構築するにあたり、電源を使用する場合よりも多くの計画が必要となります（多くの場合は、追加のディスクリート部品も必要です）。
- 電源：電力を変換するデバイスを指し、多くの場合、電圧を昇圧または降圧します。このレベルではカスタマイズの自由度が低く、電源の仕様に合わせて利用することが多いです。
また、熱管理という大きなテーマもあります。
最先端の電源テクノロジー & アプリケーションの詳細については、DigiKeyの電子マガジンの電源特集を是非お読みください。こちらからご覧いただけます。
DigiKeyの電子マガジン2024年版、電源特集 ディスクリート電源部品
ディスクリート電源部品は、組み合わせることでPMICや電源と同じように機能させられる個別のデバイスです。電源用の半導体ディスクリート部品には、トランジスタ、ダイオード、サイリスタなどがあります。一方、電源用の受動部品には、抵抗器、コンデンサ、インダクタなどがあります。
シリコン（Si）、シリコンカーバイド（SiC）、窒化ガリウム（GaN）半導体
様々な半導体材料デバイスの最適な周波数範囲と電力範囲画像提供：GaN：電力密度の限界を押し上げると同時に、効率も向上
従来の半導体：
- シリコン（Si） – 従来のシリコンベースの半導体デバイスは、集積回路デバイスの第1世代であり、現在市場で見られる最も一般的なタイプのICの1つです。シリコンは通常、単価が安く、数多くの研究が行われている半導体素子です。
onsemiのNTBLS1D5N10MCシングルNチャンネルパワーMOSFETは、エネルギー損失を最小限に抑えながら、アプリケーションを効率的にパワーアップします。
650Vおよび1,200V TRENCHSTOP™ IGBT7 H7
Infineon Technologiesの高度なTRENCHSTOP™ IGBT7 H7テクノロジーは、グリーンで効率的なエネルギーアプリケーションに対する需要の高まりに対応します。
ワイドバンドギャップ（WBG）半導体：
- シリコンカーバイド（SiC） – SiCは、シリコン（Si）とカーボン（C）で構成されるワイドバンドギャップ半導体材料です。カーボンは、高性能ブレーキパッドや研削砥石に使用される硬くて耐久性のある素材で、従来のシリコンベースの部品と比べて降伏電圧が10倍高い高電圧電力アプリケーションにも使用されます。SiCベースの部品は通常、より高い動作電圧や温度に対応でき、必要なフットプリントも小さくなります。
CoolSiC™ G2 1200V SiC（シリコンカーバイド）MOSFETディスクリート
InfineonのCoolSiC™ G2 SiC（シリコンカーバイド）MOSFETディスクリートは、最小のアプリケーション損失と最高の動作信頼性を可能にします。
MSC400SMA330 3300V SiC（シリコンカーバイド）MOSFET
MicrochipのMSC400SMA330、3300V SiC（シリコンカーバイド）MOSFETは、最終機器の製品寿命にわたって性能が劣化しないことを保証します。
- 窒化ガリウム（GaN） – GaNはガリウム（Ga）と窒素（N）で構成されるワイドバンドギャップ半導体材料であり、SiCやSiと比べてスイッチング速度、電力処理能力、熱放散性能がさらに優れています。高電力と高スイッチング周波数を必要とするアプリケーションで使用されるGaNベースの部品は、高効率かつ低電力損失で小型のフォームファクタを求めるエンジニアの間で急速に人気が高まっています。
高効率、高電圧、スイッチモード電源アプリケーションにGaN電界効果トランジスタを適用する理由と方法
GaN FETの原理と正しい用途を理解することで、高電圧スイッチモード電源システムにおける電力効率と電力密度を向上させることができます。
Tips for Laying out a High Frequency eGaN Circuit
Generally, the eGaN FET should be treated as any other MOSFET, keeping in mind that it does have the capability of higher performance operation because of its relatively low total gate charge (Qg) and small CRSS.
GaN FETS（窒化ガリウムFET）はどのようなもので、どのように機能するのですか？
eGaNトランジスタは、シリコンでできた横型FET（電界効果トランジスタ）に非常によく似ています。
GaN HEMTが電源効率の向上に役立つ理由
GaNベースのスイッチングデバイスは、新しいSiCコンポーネントと比較した場合でも、旧来のシリコンオプションに対して複数の利点を与えてくれます。
ゲートドライバ
ゲートドライバは、パワーアンプ回路の1種です。マイクロコントローラから出力される信号のような低電力の入力信号を受け取り、パワーMOSFETや絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（IGBT）など、大電力トランジスタのゲート端子を駆動させるために必要な高電力の出力信号を生成します。
ゲートドライバは、パワー変換やモータ制御を行う多くのアプリケーションにおいて、低消費電力のロジック側と大電力を消費する駆動回路をつなぐ重要な橋渡し役として機能します。
また、電気的絶縁、電圧レベルシフト、信号調整などの保護機能も搭載しています。
ゲートドライバとは何をするものですか？回答を見る
ゲートドライバは大電流の信号を出力して、MOSFETやIGBTなどのパワートランジスタのゲート端子を急速に充電または放電できるようにします。
高周波スイッチモード電源（SMPS）やブラシレスDC（BLDC）モータは、急速充電・急速放電を行うために、マイクロコントローラから出力される信号と同じような低電圧のロジックレベルを必要とします。ゲートドライバはこの低電圧のロジックレベルを増幅して、高速な周波数でより大きなパワートランジスタを動作させます。
InfineonのEiceDRIVER™ Enhanced 1ED38xx（X3デジタル）は、5.7kVのシングルチャンネル高柔軟性絶縁型ゲートドライバのファミリです。
パワーデバイスドライバの選び方と作業の始め方
ゲートドライバは、プロセッサとパワーデバイスゲート間の重要なリンクで、そのデバイスに合わせて選択および調整する必要があり、ガルバニック絶縁が必要な場合もあります。
FETのターンオフを遅くせずにターンオンを遅くするにはどうすればいいですか？
設計者として、例えば なぜFETのゲートに直列に抵抗を入れるのですかの記事のように、直列ゲート抵抗を使用してFETのターンオンを遅くすることが望ましい状況に遭遇した場合、それに対応してターンオフが遅くなることが望ましくないとしたら、どのようにすればいいですか？ 下記の典型的な例では、5Vゲートドライバ（U1）を使用してローサイドnチャネルFETのオン・
適切なゲートドライバパワーコンバータでパワーデバイス制御の効率性を最大化
MOSFETやIGBTを制御するゲートドライバICの役割を理解することで、それらに電力供給する適切なDC/DCコンバータを選択して適用できるようになります。
BJT, MOSFET, IGBT トランジスタの代替品の見つけ方
当社では、さまざまなトランジスタの交換品をお探しのお客様からお問い合わせをいただくことがよくありますが、その中には、廃品となったり他のさまざまな理由で在庫がないものもあります。
プロセス強化によりモータ駆動用IGBTの効率が向上
IGBTを選択するとき、設計者は対称型と非対称型阻止のように、ある形式のIGBTを他の形式のIGBTより優先させることができる多くのアーキテクチャの選択に直面します。
トランジスタ
電力信号を増幅またはスイッチングするディスクリート半導体デバイスを指し、通常は3つの端子を備えています。
- FET、MOSFET – 電界効果トランジスタ（FET）は、電界効果を利用してドレインとソース間を流れる電流を制御するトランジスタです。金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（MOSFET）は4つの端子を持つFETで、スイッチモード電源に広く使用されています。
- IGBT – 絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（IGBT）は4層構造（PNPN）の半導体デバイスです。大電流を扱うことができ、主にスイッチングに使用されます。
- HEMT – 高電子移動度トランジスタ（HEMT）は、バンドギャップの異なる材料を接合したFETです。
バイポーラジャンクショントランジスタ（BJT）の電力定格
バイポーラジャンクショントランジスタ（ＢＪＴ）は、電子信号や電力を増幅またはスイッチングするために使用される一般的なデバイスです。
PNPトランジスタを使った常夜灯回路の実験
電流で駆動する部品を使った簡単な回路では、NPNトランジスタを使うことがほとんどです。この簡単な回路では、PNPトランジスタを使用していますので、その違いを説明します。
ダイオード
ダイオードは電流を一方向のみに流すための部品で、通常は半導体が用いられています。
ショットキーダイオードと標準ダイオード
ダイオードには小さいガラスのカプセルに入れられたツェナーダイオードから、非常に大きな整流ダイオードPUKモジュールまで、さまざまな形状と特色があります。
アプリケーションでのショットキーダイオードとツェナーダイオードの比較
ショットキーダイオードとツェナーダイオードはどちらもダイオードであり、特定のタイプの整流回路で使用されますが、これらは完全に異なるタイプの部品です。
TVSダイオードのVrwmとVBRとは何でしょうか？
VRWM 最大逆動作電圧VRWM （reverse working maximum voltage）は、TVS（Transient Voltage Suppression）ダイオードに印加できる電圧であり、過渡的な動作や 温度によってダイオードに大きな電流が流れることはありません。
サイリスタ
サイリスタは4層（PNPN）の半導体デバイスで、ゲートにパルスを印加したときのみ電流を流すスイッチとして機能します。
標準的なトライアックとオルタニスタの機能の比較
トライアック は、位相制御、スイッチング、ファン速度制御、モータなどのスイッチングおよび電力制御アプリケーションで広く使用されている半導体デバイスです。
電源管理集積回路（PMIC）
電源管理集積回路（PMIC）とは、多岐にわたるアプリケーション固有のICまたはASICを指します。試作段階でブレッドボードに実装したり、製造段階でPCBにはんだ付けしたりできるように設計されています。PMICは一般的に、完全なソリューションを構築するにあたり、電源を使用する場合よりも多くの計画が必要となります（多くの場合、追加のディスクリート部品も必要です）。
リニアレギュレータとスイッチングレギュレータの違いは何ですか？回答を見る
リニアレギュレータとスイッチングレギュレータは、負荷に供給される出力電圧を安定させるためによく使用されるDC/DCコンバータです。
リニアレギュレータは、一般的に安価で使いやすいため、しばしば学習プロジェクトの入門用として使用されます。このレギュレータは、一連のトランジスタを使用して一定の出力電圧を作り出し、余分な電圧を熱として放散します。欠点は、放散される熱が損失エネルギーとなることで、熱放散が多すぎると、レギュレータの破損につながります。
スイッチング電圧レギュレータは、電圧出力をより効率的に安定させ、その過程で損失エネルギーを減らすことができます。電力を安定的に供給するプロジェクトや、より堅牢なレギュレータを探している場合に最適です。
リニア電圧レギュレータ
リニア電圧レギュレータは、安定した出力電圧を出力できるDC/DCコンバータです。一方で、電力損失とそれに伴う熱放散を考慮する必要があります。フットプリントが小さく、精度が高く、出力ノイズが少ないため、スイッチングレギュレータよりも有益な場合もあります。効率と消費電力の懸念から、一般的には低電流アプリケーションに適しています。
- 低ドロップアウト（LDO）リニアレギュレータ - 入力電圧を出力電圧に近づけることができるため、電力損失を低減できます。
LDOの例出典：Texas Instruments
スイッチング電圧レギュレータ
スイッチング電圧レギュレータは入力信号を高速でオン/オフすることで、安定した出力電圧を供給します。一般的に、電力損失は少ない傾向にあり、広範囲の入力/出力電圧に対応できます。
一般的なDC/DCスイッチングレギュレータの種類
- 降圧（バック） - 降圧コンバータ回路は、出力電圧を低くするために用いられ、出力電流を増加させることができます。この回路はインダクタ、コンデンサ、そして「スイッチ」を使用します。「スイッチ」は通常、半導体MOSFETです。この回路トポロジは、高いシステム電圧電源から、電圧を下げて部品に供給する必要がある電子機器でよく見られます。
降圧コンバータパワー段の簡略回路図出典：Texas Instruments
- 昇圧（ブースト） - ブーストコンバータ回路は、出力電圧を高めるために用いられ、インダクタ、コンデンサ、そして「スイッチ」を使用します。「スイッチ」は通常、半導体MOSFETです。昇圧コンバータは、照明ドライバやポータブル電源など、電源電圧よりも高い動作電圧を必要とするアプリケーションでよく見られます。
昇圧コンバータパワー段の簡略回路図出典：Texas Instruments
- 昇降圧（バックブースト） - 昇降圧コンバータ回路は、出力電圧を入力電圧よりも高くしたり、低くしたりできます。「昇降圧」という名前のとおり、降圧コンバータと昇圧コンバータの両回路の特長を備えています。
反転昇降圧段の簡略回路図出典：Texas Instruments
Reference Design Library: AC/DC and DC/DC Conversion
AC/DC and DC/DC Conversion reference designs including schematics, specifications, and support documents available in Digi-Key’s Reference Design Library.
How do buck converters work? - The Byte Sized Engineer
Have you ever wondered how switch mode power supplies work? Buck converters regulate input voltages down to lower output voltages in a very efficient way.
Linear Voltage Regulator vs. Switching Regulator
When designing a powered device, the question sometimes arises of whether a Linear Voltage Regulator or a Switching Regulator is more suitable for the design.
Reference Design Library: Power Management
Power Management reference designs including schematics, specifications, and support documents available in Digi-Key’s Reference Design Library.
Another Teaching Moment - What is a Voltage Regulator?
Selection of the right type of voltage regulator is critical in the world of effective electronic circuit design.
電源
ここで説明する電源は、供給源から電力を取り込み、適切な負荷電力に変換する自己完結型デバイスを指します。
絶縁型電源と非絶縁型電源の違いは何ですか？回答を見る
ガルバニック絶縁とは、入力回路と出力回路が電気的 & 物理的に分離されていることを意味します。この電気的絶縁は、入力回路と出力回路の間にトランスや結合インダクタを介して構成されるのが一般的です。AC/DC変換では通常、絶縁されていますが、DC/DC変換では絶縁の有無は場合によります。絶縁を行う理由として、安全確保（電源の近くで作業する人の感電のリスクを減らす）や出力回路へのノイズの低減がよく挙げられます。
絶縁型電源
非絶縁型電源
絶縁型電源の制限
絶縁電圧（データシートに記載）は、絶縁破壊が生じることなく印加できる短期間の電圧を指します。一方、使用電圧または最大動作電圧は、絶縁破壊が生じることなく連続して印加できる最大電圧を指します。
電源にはどのようなフォームファクタがありますか？
基板実装電源は、プリント回路基板（PCB）に直接取り付けるように設計された製品です。一方、オフボード電源は、直接実装する以外の方法で取り付けるように設計されています。
オフボード電源と基板実装電源の違いは何ですか？回答を見る
基板実装電源は、給電するシステムに直接組み込まれる製品で、プリント回路基板（PCB）に直接取り付けることができます。オフボード電源は外部電源と呼ばれることもあり、例としてはウォールマウントプラグなどがあります。アダプタを壁に差し込み、コネクタを介してシステムに接続します。
オフボード電源
密閉型 – エンクロージャで覆われているため、埃や異物から保護し、安全性を高めることができます。一方で、熱がこもりやすく、十分な冷却が必要になる場合も多々あります。
オープンフレーム型 – エンクロージャで覆われておらず、部品が露出しているため、衝撃や感電のリスクが高まります。オープンフレーム型電源は、密閉型電源よりもフットプリントが小さいことが一般的です。
バレルコネクタ – ラップトップコンピュータやプリンタなどのウォールマウントAC/DCコンバータによく使用されます。
IEC 320-C14 – コンピュータのモニタや電源内蔵式スピーカによく使用されます。
IEC 320-C8（フィギュア8） – オフィス機器やプリンタによく使用されます。
NEMA 1-15P（Aタイプ） – 米国で標準のコンセントタイプです。
CEE 7/16またはCタイプ（ユーロプラグ） – 欧州で標準のコンセントタイプです。
ユニバーサルシリアルバス（USB） – コンピュータに通常搭載されています。
基板実装電源
基板実装電源は、プリント回路基板（PCB）への取り付け用に設計されています。
電源ブリック
電源の熱管理
どんな機械、回路、スイッチングデバイス、パワーコンバータも、効率は100%ではありません。これは、導体に見られるわずかな抵抗、スイッチング損失、さらには部品間の機械的振動など、多くの要因からエネルギー損失が生じるためです。このようにエネルギー損失は通常、振動、音、熱など、プラスに働かない要素として発生します。
電力損失によって生じた熱を設計者が対処しなければ、デバイス全体の寿命が短くなったり、性能が仕様から外れたり、最悪の場合はユーザーに危険を及ぼしたりする可能性があります。幸いにも、電源デバイスから発生する廃熱を処理するにはいくつかの方法があります。
ファン
扇風機によって居住空間の空気を動かし、室温を涼しく保つことができるように、電子機器にもファンを搭載し、エンクロージャ内外に空気を移動させることができます。ファンは外気をエンクロージャ内に取り入れたり、内部の熱気を排出したりすることで、熱の流れや管理を設計する際に高い柔軟性を発揮します。
出典：DigiKey | 長所 | 短所 |
|---|---|
| 小型でコンパクトなフォームファクタ | 可動部品があるため、システムの中で最初に故障する恐れがある |
| 空気の流れを指定できる | 別の電源回路が必要になり、コストが増加する可能性がある |
| フィードバックループに基づいてファンの回転速度を調節できる | 実装するフィードバックループが複雑になる可能性がある |
ヒートシンク
ヒートシンクは完全な受動素子で、熱源から周囲の環境に熱を伝達させます。一般的に、CPUのような高出力デバイスや、直に冷却する必要のある電源ブリックに直接接触しています。
出典：DigiKey | 長所 | 短所 |
|---|---|
| 可動部品がないため、壊れにくい | 重くて大きい |
| ファンと組み合わせて熱伝達を改善できる | 効果は周囲の温度に左右される |
| 形状、サイズ、パッケージタイプが多様 | 効果的なサイズを計算するには、より複雑な計算が必要になる場合がある |
熱伝導材料（TIM）
熱伝導材料（TIM）は、電源と外部ヒートシンクなど、2つの大きな部品間に配置して、熱伝導を改善できる材料または物質を指します。TIMは通常、薄いシート状の材料か、デバイス上に塗り広げられる塗布可能なペーストのどちらかで、2つの部品間の熱伝導性を高めることができます。
出典：DigiKey | 長所 | 短所 |
|---|---|
| シートの場合：シート状の固体材料は、サイズや形状に合わせてカットできる | 高価な場合がある |
| 塗布可能の場合：ほぼすべての表面に塗り広げられる | 通常、保存可能期間または使用期限がある |
| 異種材料間の空隙をなくし、熱伝導性を大幅に改善できる | ほとんどの場合、機械的強度や接着剤なしでの接続はできない |
