高電流および高速過渡応答DC/DCコンバータには専用インダクタを使用

データセンターおよびサーバラックには、キロワットの電力と数百アンペアの電流が必要です。この程度のDC電源を供給することは、低電圧であっても設計上の課題が伴います。問題は、電圧レール降下を数ミリボルト未満に抑えるためのマイクロ秒単位の過渡応答時間が必要であるため、さらに複雑化します。これにより、回路の不安定な動作が引き起こされる可能性があります。

過渡要求への対応を向上させるため、設計者は複数の単相降圧コンバータを並列に接続した多相DC/DCコンバータトポロジを採用するようになりました。しかし、このアプローチには、出力コンデンサの避けられない寄生インダクタンスと抵抗による制限があり、これらはコンバータの過渡応答を遅らせる要因となります。

この弱点を克服するため、トランスインダクタ電圧レギュレータ（TLVR）と呼ばれる高度な多相トポロジが開発されました。TLVRの実現における鍵は、各TLVR電源フェーズ用に1つずつ、合計2つの低値と高電流インダクタと、TLVRインダクタの1次側に配置された単一の補償インダクタです。

この記事では、高電流DC/DCコンバータに関連する課題を検討し、これらの課題を解決するための多相DC/DCトポロジの応用について説明します。さらに、補償インダクタの重要な役割、およびAbraconの例示部品を使用してこれらの回路要素の性能要件を満たす方法を説明します。

単相から多相トポロジへ

データセンターやサーバラックなどのシステムに安定した電源を供給する際には、2つの課題が存在します。まず、数百アンペアの電流を必要とすることです。この静的に必要とされる最大電流は、高容量のバルクコンデンサを使用してスイッチングリップルを低減する適切なスイッチングコンバータ設計により実現することができます。

2つ目の課題は、負荷がアイドル状態（無負荷または低負荷）から完全にアクティブな状態へ急激に増加する負荷過渡現象による動的課題です。これは、電力消費を削減し熱問題を最小化するために必要です。コンバータはマイクロ秒単位で応答する必要がありますが、定格レール電圧のオーバーシュートやアンダーシュートが発生しないようにする必要があります。

これらの矛盾を解決することは困難ですが、電源とコンバータの設計者は、その方法を考案してきました。

単相コンバータから始める

標準的な降圧（バック）スイッチング方式のDC/DCコンバータは、単相方式を採用しています（図1、左）。入力DCレールを、高周波の矩形波のようなAC波形に分割し、その後、トランスやその他の回路構成を用いて降圧変換します。その結果得られるほぼ純粋なDCは、リップルを最小限に抑え、負荷が突然大電流を要求した場合に電流を増加するために、バルクコンデンサを介してフィルタリングされます。負荷の変動に応じて出力電圧を所定の電圧に調整するため、コンバータはフィードバックを用いてチョッピング信号のパルス幅とデューティ比を調整します（図1、右）。これにより、その平均値が目標値と一致するようにします。

図1：安定化のため、単相コンバータ（左）はスイッチングパルス幅（右）のオン/オフデューティサイクルを調整し、負荷電流の変動にもかかわらず安定した直流出力を維持します。（画像提供：Abracon）

しかし、この単相設計には過渡応答に対して欠点があります。コンデンサの等価直列抵抗（ESR）と等価直列インダクタンス（ESL）の避けられない寄生成分により、負荷がスリープモードから最大負荷状態に移行する際、必要な電流を供給しようとする際にコンデンサの応答時間が遅れます。

さらに、供給電圧が低下し始める際にコンデンサに流れ込む追加の電流は、コンバータのインダクタを通過する必要があります。コンバータの性能の一部において大容量のインダクタが望ましい場合もありますが、これらは電流変化率の低下を招きます。したがって、インダクタがコンデンサを再充電し、負荷要件を満たすために必要な電流値に達するまでに時間がかかります。したがって、インダクタのサイズ選定は、コンバータ設計における多くのトレードオフの1つです。

次に多相化について

単相コンバータの限界を克服する画期的なトポロジが、複数の単相降圧コンバータを並列動作させる多相コンバータです。これにより、設計者は単一の大型インダクタに頼る代わりに、複数の小型インダクタを同時に使用して負荷を駆動する柔軟性を得ることができます。

負荷に流れる電流は、すべての相からの電流の合計です（図2、左）。各相のインダクタンス値が単相設計よりも低いため、電流がより急速に上昇します。これにより、負荷変動時における応答速度の向上と電圧降下の低減が実現されます（図2、右）。

図2：並列接続で複数相を採用し（左）、各相の出力を合成することで、多相コンバータの過渡応答は単相トポロジに比べてはるかに高速で、電圧降下も低減されます（右）。（画像提供：Abracon）

一般的な設計では、単一相の電流を30～40アンペア（A）に制限しますが、場合によってはこれを超えることもあります。多相設計は通常、2～8相で構成されますが、より多くの相を使用することも可能です。より少ない強力な相と、より多くの相で構成される設計の選択は、電気的性能、物理的サイズ、部品表（BOM）、およびコストなど、さまざまな要因のトレードオフを考慮する必要があります。

TLVRによる多相設計の改善

多相回路の出力は、各相が順次トリガされる際に位相の調整に時間がかかります。超絶な回路改良により、負荷の急変に対して各相のトリガを制御することで、コンバータの応答時間を短縮できます。これはTLVRアプローチを使用して行われます。

この多相DC/DCコンバータトポロジは、インダクタを介してすべての相を相互に結合する2次巻線の直列接続を追加することで、過渡応答を高速化します。これにより、負荷の増加に応じて、各相間で電流が同時に誘起されるようになります（図3）。

図3：TLVRトポロジは、相間を結合し、各相が負荷電流の要求を早期に「認識」できるようにする相間インダクタ（上）を追加しています。（画像提供：Abracon）

TLVRトポロジの核心を成すのは、TLVRインダクタと補償インダクタです。前者は、直流損失を最小限に抑えるため、1次巻線と2次巻線がそれぞれ2つの銅クリップから構成された専用のトランスです（図4）。両クリップは、フェライトまたは鉄系材料製の磁気コア内に収められており、これにより1次側と2次側が磁気的に結合されます。TLVR設計と基本多相構成の主な違いは、各TLVRインダクタの1次巻線を各相の出力インダクタとして使用することです。

図4：TLVRインダクタは、各相の出力と次の相を接続する専用のトランスです。（画像提供：Abracon）

さらに、すべての相の2次巻線は、単一の補償インダクタ（LC）に直列接続されています（図3、右上）。各1次巻線の電圧は、対応する2次巻線に反映されます。すべての2次巻線が直列接続されているため、補償インダクタはこれらの波形の合計を検出します。

動作中、コンバータからより多くの電流が引き出されると、コンデンサの寄生ESRとESLにより、出力電圧が低下し始めます。フィードバック制御ループは、この電圧降下を検知し、その時点でアクティブな相の駆動レベルを増加させ、その相を通じてより多くの電流を供給することで電圧降下を抑制し、新たな負荷要求に対応します。

これが、TLVRが従来の多相コンバータに比べて優れた性能を発揮する理由です。特定の相がより多くの電流を必要とする場合、この新しい電流波形は、2次側が他のすべての相と結合しているため、すべての1次巻線に反映されます。その結果、フィードバックシステムへ1つの相が応答することにより、他の相にも電流が誘起され、すべての相でほぼ瞬時に電流が増加します。

TLVRという名称の「トランスインダクタ」は、この相間インダクタ連結アプローチに由来しています。すべての相の負荷の変動に対する集団的な応答は、コントローラが他の各相をトリガするまでに必要な時間間隔をバイパスするため、より迅速な過渡応答を実現します。

TLVRインダクタは通常、1:1の巻線比を有し、両方のインダクタンス値が同じです。インダクタンス値は、主にデューティサイクルと許容可能なリップル電流の量に依存します。

TLVRの性能を左右するインダクタの設計

受動部品（抵抗器、コンデンサ、インダクタなど）は、単純なデバイスと見なされることがよくあります。概念的には単純ですが、現実には多くの繊細な点が含まれており、複雑です。インダクタは、おそらく最も誤解されやすい部品の1つです。なぜなら、原理的には「単に」曲げられたり巻かれたりした導線や導体に過ぎないからです。

前述の通り、TLVRトポロジでは各電源相にTLVRインダクタ（Lm_n）が必要であり（図5、下）、これによりシステム全体の電流供給が数百アンペアを超えることが可能となります。

一方、TLVRトポロジの1次側では、供給を調整するために単一の補償インダクタ（Lc₁）（図5、上）のみが必要です。これは、電圧に対する位相を平滑化し調整することで実現され、これにより位相余裕を増加させ、安定した動作を保証します。

図5：完全なTLVR多相コンバータには、相間接続用に各相ごとに1つのTLVRインダクタ、さらに安定した動作をサポートするための単一の補償インダクタが必要です。（画像提供：Abracon）

AVRシリーズ 組み立てインダクタ

TLVR設計で使用される補償インダクタは、低直流抵抗、高電流対応、広温度範囲での仕様対応、および物理的に小型である必要があります。AbraconのAVRシリーズ 組み立てインダクタ（図6）は、フェライトベース構造、インダクタンス範囲22ナノヘンリー（nH）～680nH、動作温度範囲-40°C～+125°C、直流抵抗（DCR）0.100ミリオーム（mΩ）以下、および最大160Aの飽和電流を実現しています。

図6：AVRシリーズの組み立てインダクタは、従来のDC/DCコンバータやTLVRトポロジにおける補償用途の独自の要件を満たすため、構造、主要なパラメータ値の範囲、サイズなど、あらゆる面で特別に設計されています。（画像提供：Abracon）

補償インダクタのパッケージングも、小型コンバータ設計の実現に貢献しています。従来、小型コンバータアプリケーションでは成形インダクタが標準的でしたが、AVRシリーズの組み立てインダクタは、より低コストで優れた性能を提供します。

たとえば、AVR-1F070605S90NLTは、シールド付き90 ± 15% nHインダクタ（0.1 MHz/1.0V）で、約6mm × 7mmの大きさです。そのDCRは0.17 ±30% mΩであり、+25°Cでの標準飽和電流は50Aであり、+100°Cでは45Aで、わずかに低下します。

高電流アプリケーション用には、シールドなしの120 ±10% nHインダクタ（800kHzおよび0.8V）であるAVR-1Z090610SR12KTが適しています。この製品は9.5mm × 10mmのサイズで、標準的な直流抵抗（DCR）が0.10mΩ（最大0.12mΩ）であり、+25°Cで90 A、+100°Cで75Aの飽和電流を特長としています。

まとめ

単相DC/DCコンバータから多相方式へ、さらにTLVRトポロジへの移行により、高負荷電流かつ高速なアプリケーションにおいて、鋭い過渡応答と高い出力精度が要求される場合に優れた性能を発揮します。各相にTLVRインダクタを追加し、さらに単一の補償インダクタを組み合わせることで、このアプローチは設計目標を満たすことが可能になります。必要な補償インダクタとして、AbraconのAVRシリーズ 組み立てインダクタは、多相電圧調整向けに高度でコスト効果の高いソリューションを提供します。