電圧変換比固定コンバータは、入力電圧を固定された比率で出力電圧に変換するDC-DC コンバータです。このコンバータは定電圧制御を行わず、入・出力電圧の関係は「巻数比」によって決まります。この巻き数比はK ファクターと呼ばれ、降圧比（出力電圧/ 入力電圧）に比例する分数で表されます。K ファクターは、K = 1 から、POL コンバータとして使うことができるK = 1/72 までの設定があります。

入力電圧は、低電圧（LV）、高電圧（HV）、および超高電圧（UHV）に対応しており、K ファクターは、目的のPDN の電圧とPoL の仕様に基づいて選択します。

電圧変換比固定コンバータは絶縁型と非絶縁型があります。Vicor のコンバータは、双方向の電力伝達と電圧変換が可能です。たとえば、双方向機能を備えたK =1/12 変換比固定コンバータは、K が12/1 のブーストコンバータとしても動作します。

電圧変換比固定コンバータを用いると電源設計の自由度が向上します。並列接続することで簡単に大電力へ対応でき、出力を直列接続することで、実効のK ファクターがN・K（N は直列数）になるため高電圧出力へ対応できます。

Sine Amplitude Converter（SAC ™）とは

出力電力がコンバータのデューティサイクルに比例する「ハードスイッチング」のコンバータでは、デューティサイクルを変えることで、二次側から供給する電力を増減します。このカテゴリの回路方式は、パルス幅変調（PWM）コンバータと呼ばれており、スイッチングデバイスによって消費される電力が大きいため、現実的なスイッチング周波数は数百kHz に制限されるという欠点があります。それにもかかわらず、入力/ 出力電圧比が大きいアプリケーションでは、PWM コンバータはリニアレギュレータより優れているため、広く使われるようになりました。

SAC 方式は、トランスを基本とした直列共振トポロジです。レギュレーション機能をもつ擬似共振ZCS/ZVS コンバータとは異なり、SAC 方式のコンバータは、一次側タンク回路の共振周波数に等しい固定周波数で動作します。

一次側のスイッチングFET の動作は一次側の共振周波数に固定され、電流のゼロクロス点でスイッチングするため、スイッチの電力損失がなくなり（効率が向上）、高次の高調波ノイズが大幅に低減します（出力電圧に必要なフィルタリングが軽減される）。一次共振タンクの電流は、前世代のコンバータで見られた方形波や部分的な正弦波ではなく、純粋な正弦波です。これにより、高調波成分が低減されるため、出力ノイズスペクトルは大幅にクリーンになります。

SAC 方式のコンバータは、トランス1 次側にエネルギー蓄積要素が必要ないため、リーケージインダクタンスが最小になる設計にしていますそのため、SAC は非常に高い周波数で動作でき、トランスの大幅な小型化が実現し、電力密度と効率の両方が向上します。Vicor のBCM は、数MHz の周波数で動作します。この周波数は負荷に関係なく固定されています。二次側の負荷の増加に応じて、SAC は、一次側の共振タンクの正弦波電流の振幅を増加させます。これにより、二次側に結合されるエネルギー量が増加し、増加した負荷に対処します。負荷電流が低下し、無負荷の状態では正弦波の振幅がゼロに近づきます。

Vicor のバスコンバータは出力インピーダンスが極めて低くなっています。これは、理想的には共振周波数でゼロとなるトランス一次側の共振タンク回路の出力インピーダンスを反映しています。低い周波数域から共振周波数の約3 分の2 までの帯域で、出力インピーダンスは低く一定です。これは、従来のIBC の出力インピーダンスの約半分です。

SAC 方式のコンバータはトランスの一次側電流が正弦波状になるため、ノイズが小さいという特徴があります。出力ノイズのスペクトルは非常に狭く、主要な周波数成分は、スイッチング周波数と、出力段の全波整流によって生ずるスイッチングの2 倍の周波数のみです。出力フィルタは、小型の高周波セラミックコンデンサで簡単に構成できます。

電圧変換比固定コンバータの選択

Vicor の電圧変換比固定コンバータモジュールは、電圧範囲、K ファクター、絶縁型または非絶縁型、および双方向動作に関して幅広い選択肢があります。電力容量、中間バス電圧、およびPOL コンバータとしての用途に対応する次の4 つの主要なファミリがあります。

1. BCM® 絶縁型バスコンバータ
2. NBM ™非絶縁型バスコンバータ
3. VTM ™絶縁型および非絶縁型カレントマルチプライヤ、上流に配置するレギュレータ（PRM ™）と組み合わせてPoL コンバータとして使用
4. MCM ™モジュール型カレントマルチプライヤ、上流に配置するレギュレータおよびドライバ（MCD）と組み合わせてPoL コンバータとして使用

SAC 方式のコンバータ（SAC ™）トポロジを採用することで、すべてのVicor コンバータモジュールは、競合するコンバータに対して、変換効率が高く、高電力密度、低背パッケージ、高速過渡応答性能、広い帯域幅など、ほぼすべての性能で優れています。

車載およびデータセンターにおける極めて困難な問題の
解決

多くの産業およびアプリケーションにおいて電力需要が急増しているために、電力供給ネットワークは大きく変化しています。新しい機能が追加され、性能が向上するのに伴い、PDN 自体の物理的なサイズ、重量、およびコストを削減するために、より高い電圧が給電に用いられるようになりました。

PDN のアーキテクチャが急速に変化している産業は、自動車およびデータセンターです。自動車業界では新たなCO2 排出基準を満たすために、車両の電動化と電気自動車への移行が進み、車両内に800V や400V、48V への変換やレギュレータが実装されるようになっています。

データセンターでは、AI（人工知能）と高性能コンピューティングの進化に対応するために、380V および48V 対応のPDN 開発が進んでいます。プロセッサの定常状態およびピーク時の消費電流は、ほぼ指数関数的に増大しています。この飛躍的な電力増大により、負荷点でPDN のジレンマが発生しており、この問題を解決するためにはアーキテクチャ、トポロジ、およびパッケージングを刷新する必要があります。

高電力密度のカレントマルチプライヤモジュール（VTM またはMCM）は、プロセッサに近接した横または真裏という、プロセッサのごく近傍に配置できます。真裏に配置されたモジュールからは、表面にあるプロセッサの電源ピンへ垂直に給電します。1000A の電流を1μ Ωの抵抗のPDN に流すと、1W の電力損失が発生します。従来のマルチフェーズ同期整流バック型VR を備えた一般的なPDN は、200μ Ω（200W の電力損失に相当）の抵抗があるため、システムが成立しません。Vicor のカレントマルチプライヤを使用した水平または垂直の給電を用いれば、PDN 抵抗をそれぞれ50μ Ωおよび5μ Ωに下げることができます。

Vicor の独創的な電圧変換比固定コンバータ用いて電力供給アーキテクチャを刷新することで、高度なシステムで必要とされる大電力で高性能の電源システムを実現することができます。電圧変換比固定のコンバータは、高電力密度、高効率であり、容易に並列接続ができ、降圧または昇圧コンバータとして使用可能です。高電力密度のカレントマルチプライヤとしてPoL コンバータの用途もあり、もっとも使いやすい高性能なDC-DC コンバータの一つです。Vicor の電圧変換比固定コンバータを取り入れて、将来を見据えた電力供給アーキテクチャを構築してください。