5 kW、4レベルのトーテムポールPFCコンバータによる高効率サーバー電源の駆動

GaNの話 – Marco Palma 10 22, 2025

概要

サーバーやデータセンターの事業者が、より高い効率と電力密度を求めるにつれ、電源設計者は、窒化ガリウム（GaN）技術に、ますます注目するようになっています。GaNは、スイッチング速度が速く、損失が少なく、デバイスの実装面積が小さいため、シリコンでは実現不可能なシステム・アーキテクチャを実現できます。

図1に示すEPC91107KITは、5 kW出力の評価プラットフォームであり、200 VのGaN FETであるEPC2304を4レベル・トーテムポール型力率補正（PFC）コンバータに活用することで、優れた効率とOpen Compute Project（OCP）規格への準拠を実現する方法を示しています。このブログでは、このソリューションの設計理念、ハードウエア、制御方針、そして実験的な性能について説明し、GaNがデータセンター電源の電力密度を新たなレベルに引き上げる理由を示します。

EPC91107KIT 5 kW, 4-level totem-pole PFC evaluation board — 図1：5 kW、4レベルのトーテムポールPFC評価基板EPC91107KIT

なぜマルチレベル・トーテムポールPFCなのか?

トーテムポール型PFCは、データセンターにおける高効率AC-DCフロントエンドの最高の基準として、すでに採用されています。従来の2レベル設計からマルチレベル・フライング・コンデンサ構成に移行することで、スイッチング損失、デバイス・ストレス、入力電流歪みを、さらに低減できます。この回路ブロック図が図2です。

EPC91107では、4レベル構造によって、PFCに必要なインダクタンスを約130 µH（2レベル）から、わずか13.8 µHに低減できるため、市販の小型なコイルを使えます。これは、より高い電力密度と、より高速な過渡応答に直接つながります。

Block diagram of the multi-level PFC converter — 図2：マルチレベルPFCコンバータの回路ブロック図

Open Rack V3（ORV3）への挑戦に向けて

OCPのOpen Rack V3 (ORV3)仕様では、サイズに厳しい制約が設けられています：電源は40 mm×70 mm×630 mmの筐体内に収まらなければなりません。この寸法内で5 kWの出力を実現するには、設計者は以下のスペースを慎重に確保する必要があります：

バルク・コンデンサ：垂直の短いコンデンサは、組み立ての複雑さを軽減し、電気的／機械的な要件を満たします。
EMI（電磁干渉）雑音フィルタ：雑音の結合を最小限に抑えるために、コンデンサの近くの「静かな領域」に配置します。
コンバータ段：出力の近くに配置され、冷却経路が最適化されています。

冷却は、PSU（電源ユニット）の長さ全体にわたる強制空冷、または側壁の熱拡散によって実現され、大きな半導体を基板の端に押し出して熱の処理が容易になります。

EPC91107KITは、4枚のモジュラ基板で構成されています：

EPC91107Mマザーボード：EMIフィルタ、突入電流リミッタ、バルク・コンデンサ、ハウスキーピング電源。
EPC91107P GaNパワー基板：複数のFET（EPC2304）、絶縁ゲート・ドライバ、測定回路を備えたコア4レベル・トーテムポール段。
EPC91107F フライング・コンデンサ基板：フライング・コンデンサを搭載し、コントローラ用インタフェースを提供。
4. 米マイクロチップ・テクノロジーのdsPICコントローラ・カード：高分解能のPWM（パルス幅変調）信号の生成、PLL（位相同期ループ）同期、フィードバック制御を提供。

わずか92.5 mm×38.5 mmのGaNカードには、高周波および低周波のブリッジとフィードバック回路が統合されており、プリント回路基板の面積が最小限に抑えられています。

The EPC91107KIT comprises four modular assemblies for power, capacitors, and control — 図3：EPC91107KITは、電源、コンデンサ、制御用の4個のモジュールを組み立てて構成

制御の方針

EPC91107は、4レベル・アーキテクチャに適合した従来のPFC制御ループを採用しています。

位相同期ループ（PLL）は、交流電源周波数に同期し、正弦波リファレンスを生成します。
外側の電圧ループは、ゼロ次ホールド（ZOH：zero-order hold）機能を使って、ピーク電流の基準を計算し、歪みを最小化します。
内部の電流ループは、測定した電流を基準と比較し、フィードフォワード・スケーリングによって動的応答を実現します。
3つの補完的なPWMチャネルsが120度の位相シフトされ、GaNデバイスを対称的に駆動します。

特に、フライング・コンデンサの電圧は、コイルの連続電流によって自動的にバランスされるため、アクティブなバランス回路は不要になります。

Control block diagram of the 4-level PFC, featuring PLL, voltage, and current loops — 図4：PLL、電圧ループ、電流ループを備えた4レベルPFCの制御回路ブロック図

熱に関する考察

評価キットは、ヒートシンクなしで提供され、初期評価では強制空冷を使います。ただし、高負荷条件では、EPCは以下のことを推奨します：

FET上に向けたファンによる背面冷却。
熱伝導を向上させるTIM（熱伝導材料）を備えたヒート・スプレッダ。
EPCは、デバイスの界面には台湾T-Global TechnologyのTG-A1780（17.8 W/m·K）TIM を、ヒート・スプレッダにはTG-A620 (6.2 W/m·K)を推奨しています。

このハイブリッドのアプローチは、電気的絶縁性、機械的コンプライアンス、および熱伝導性のバランスをとります。

実験的検証

EPC91107のテストでは、設計が業界標準を満たし、それを上回る能力があることが確認されました：