最適なインダクタの選択でDC-DCコンバータの性能をアップさせるには
（出典：KPixMining/stock.adobe.com）
近年、レギュレータとも呼ばれるスイッチングモード DC-DC コンバータの性能は飛躍的に向上しています。効率は向上し、多くの場合 90% 以上を達成しています。静止電流は減少し、レール出力ノイズと放射 EMI は低減され、過渡応答は高速化されています。 この改善の多くは、以前の設計に見られた複数の制限に対処する DC-DC コントローラ IC の進歩によるものです。一方、静的損失および動的損失が低減された高性能パワーデバイスの登場により、パワーデバイス・ドライバの改良も進んでいます。
しかし、これらの革新的な IC はその一部に過ぎません。性能の向上に貢献している、あまり目立たない部品があります。それは、すべてのスイッチング・コンバータの設計に欠かせないディスクリート・インダクタです。この 2 端子パッシブ部品は、そのインダクタンス値によって定義され、一見すると単純に見えます。しかし、実際には、インダクタの選択には多くの考慮事項があります。
インダクタは、コンバータ全体の効率、EMI 性能、および熱安定性に不可欠であり、そのうちの最初の 2 つの要素は、規制や法令によってますます厳格に定義されています。通常、インダクタには「最良」の選択肢は 1 つだけというわけではありません。なぜなら、動作周波数、コア損失、飽和特性、物理的なサイズ制限など、さまざまな要素のトレードオフをバランスよく考慮して選択する必要があるからです。
選択するインダクタは、必要な性能を発揮するだけでなく、予期せぬ EMI 問題、熱不安定性、生産関連のリスクなど、設計上の障害を最小限に抑えるものでなければなりません。このバランスを取るという課題は、安定した性能、長期供給、モデリングツールによる設計サポートにより、これらの障害を軽減するWürth ElektronikのWE-MAPIインダクタを使用することで克服できます。
このブログでは、インテリジェントなインダクタの選択およびモデリングツールが DC-DC コンバータの性能と信頼性をどのように高めるかについてご説明します。
モデリングが選択を導く
インダクタの選択は、公称インダクタンス値や動作周波数などの主要パラメータから始めます。500kHz のスイッチング周波数に適したインダクタは、2MHz の設計には適さない場合があります。インダクタを特徴付けるその他の主要なパラメータとしては、電流処理能力、効率目標、熱ドリフト、動作温度、EMI に関する考慮事項、シールドの可能性、および物理的サイズがあります。
「必須」と「望ましい」の目標のバランスを取ることは、変数の数と、その変数の相互作用が非線形であることが多いことから、困難な作業になる場合があります。そこで、Würth ElektronikのREDEXPERTツールが、設計者に実行可能な選択肢を示しながら、時間を節約します。REDEXPERT は、WE-MAPI シリーズインダクタの AC およびDC損失のモデリング、最適なインダクタの選択などを容易にします（図 1）。[1]
図 1：WE-MAPI インダクタを使用した REDEXPERT でのバックコンバータのシミュレーションは、複数のパラメータとトレードオフをモデル化する能力を示しています。(出典：Würth Elektronik)
この強力なツールは、スイッチングコンバータの設計には不十分な、シュタインメッツの式とその拡張変形に基づく標準的なインダクタ損失モデルのコンピュータ版というだけではありません。その欠点としては、時間による磁束密度の変化、巻線の交流損失、表皮効果や近接効果による部品巻線の損失などの影響要因を適切に把握できないことが挙げられます。
これに対し、REDEXPERT は、Würth Elektronik のインダクタの特定の性能特性に合わせてそれぞれ調整された一連の経験的データモデルを使用しています。これにより、ユーザーはインダクタを効果的に選択し、システムを最適化することができます。このため、REDEXPERT はインダクタの損失総量を 2 つの損失に分けます。インダクタ巻線における直流電流による電力損失（DC 損失）と、コイル内の交流磁束の変動による追加の電力損失（AC 損失）です。また、AC 損失全体の計算に基づいて温度の推定値も提供します。
REDEXPERT は、最も一般的な 3 種類の DC-DC コンバータのトポロジー、すなわち、バック、ブースト、およびシングルエンド一次インダクタコンバータ (SEPIC) をサポートしています。このモデルは、広い周波数範囲 (10kHz～10MHz) で正確であり、磁束変動に対して広い範囲で導出された電力方程式の定数を使用しています。コア材料や巻線構造のわずかな変更にも対応し、複数の材料を使用した部品にも適用可能です。さらに、REDEXPERT は鉄粉や金属合金材料の損失を正確に推定し、あらゆるコア形状や巻線構造に対応し、AC 巻線損失も考慮しています。
エンジニアがWE-MAPIインダクタを信頼する理由
WE-MAPIファミリーの優れた性能に加え、設計者のリスクと関連する頭痛の種も軽減します。プロジェクトを順調に進めるため、エンジニアは通常、現場での使用実績が少ない新しい部品は避け、よく理解され、広く採用されているソリューションを選択します。たとえば、アクティブ部品の場合、市場には「より優れた」選択肢があるにもかかわらず、多くの設計者は 10 年以上も前のオペアンプを引き続き使用しています。その理由は単純です。これらの古い部品は完全に理解され、特性も把握されており、その微妙な部分も知られており、製造上の問題もすべて解決されているからです。
新しいスイッチングコンバータの設計では、設計者は、実績のある受動部品を使用しながら、高度な機能と性能を備えた新しいコントローラ IC を選択することができます。現実には、すべての部品には固有の特性があり、長年にわたって「現場」で使用されてきた部品では、その特性はよく知られています。対照的に、最近リリースされた部品は、データシートやアプリケーションノートに記載されていない予期せぬ問題を引き起こす可能性があります。
確立されたコンポーネントは、調達および製造における予測可能性も高めます。これにより、チームはサプライチェーンの予期せぬ事態を回避し、スケジュール通りに作業を進めることができます。
テクノロジーがインダクタの革新を実現
Würth ElektronikのWE-MAPI インダクタは、その設計と複数の革新技術により、通信およびサーバーの電源に最適です。この適合性は、高負荷下での効率性によるものです。また、低電圧、高電流の安定化性能により、FPGA および AI プロセッサの電源にも最適です。
これらのインダクタは、適切なコアにワイヤを巻いただけの製品ではありません。高度な鉄合金グループ材料組成は、フェライト材料よりも改良されており、高電流パワーインダクタのコア材料の損失を大幅に低減しています。
WE-MAPIのコアは、巻線周りにプレス加工された革新的な金属合金で構成されています。その結果、このシリーズは、小型のシールドパッケージで高いインダクタンス値を実現しています。これらの部品は、1.6 × 1.6 × 1.0 ミリメートル (mm) から 5.4 × 5.4 × 3.1 mm までのパッケージサイズで、インダクタは 33 ナノヘンリー (nH) から 47 マイクロヘンリー (uH) まで、飽和電流は特定のモデルに応じて最大約 40 アンペアまで対応しています。
コアの特殊な構造により、望ましい磁気自己シールド効果が得られます。コア材料は温度安定性が高く、わずかなドリフトと「ソフト」な飽和特性を持っています。また、コアの周囲には保護コーティング層が施されており、表面を有害な環境の影響から保護しています。
物理的な構造と巻線の取り付けも重要な要素です。従来のコイルは、通常、エナメル銅線をコアに巻き付け、クリップで端子にはんだ付けまたは溶接して作られています。その後、外側のシールドリングを取り付け、内側のコアと巻線と接着します。
ただし、WE-MAPI シリーズでは、巻線ははんだ付けや溶接を行わず、部品の接続パッドに直接接触しています（図 2）。クリップを排除することで有効直径が大きくなるため、同じインダクタンス値で必要な巻線数が少なくて済みます。これにより、巻線の直流抵抗が大幅に低減され、直流損失が低減されます。
図 2：ケースを取り外した WE-MAPI インダクタのこの図では、ワイヤが接続パッドに直接接触していることがわかります。(出典：Würth Elektronik)
今日のスイッチングコンバータの多くは、全体的なサイズを縮小するなどの利点から、より高い周波数で動作しています。以前のスイッチは 300kHz から 500kHz で動作していましたが、現在では 1 メガヘルツの周波数が広く使用されており、一部のコンバータでは数メガヘルツに達するものもあります。WE-MAPIシリーズは、800kHz以上の動作設計に最適化されており、これらの高周波コンバータに最適です。
さらに、これらのインダクタは、高効率 DC-DC コンバータに伴う高リップル電流にも対応しています。標準動作温度範囲は -40°C～+125°C で、一部のモデルは、過酷な環境での信頼性を高めるため、より広い -55°C～+150°C の範囲にも対応しています。
まとめ
選択肢が拡大する中、Würth ElektronikのWE-MAPIインダクタは、実地試験で実証された信頼性、効率的な性能、および高周波電力設計の要求に合わせた構造で際立っています。その性能は実環境での用途で実証されており、厳しい効率、熱、および EMI 要件を満たしながら設計リスクを低減したいエンジニアにとって、信頼性の高い選択肢となっています。