ここまでは9nsと極めて狭い最小パルス幅を実現するナノ・パルス・コントロール技術について説明した。しかし、この方法をDC-DCコンバーターICに適用するには、解決しなければならない課題が1つ残っている。それは、過電流保護機能である。最小パルス幅が狭くなって、制御スピードが高くなると、従来通りの過電流保護機能では対応が間に合わなくなるからだ。

従来の過電流保護機能とはこうだ。まずは過電流の状態を検出する。その後、スイッチ素子をオフするなどの対策を打つ（図10）。この一連の処理を実行するには、少なくとも100ns程度の時間が必要になる。従って、安定時の最小パルス幅が9nsと短ければ、過電流状態を検出しても、対策を打つ時点まで保護することができない。その間に過電流の状態は悪化し、最悪の場合、ICは破壊されてしまう。

図10　従来の過電流保護機能
スイッチノードの短絡や出力端子の短絡などで過電流が発生する。従来は、過電流の状態を検出したら、スイッチ素子をオフするなどの対策を打っていた。この処理には100ns程度の時間がかかる。従って、最小パルス幅が9nsと短ければ、過電流状態を検出しても、対策を打つ前に過電流の状態は悪化し、ICは破壊されてしまう。

しかも、である。従来の過電流保護機能を実現するには、専用の検出素子や動作回路を用意しなければならない。その分だけ、ICのチップ面積が増大するというデメリットもある。

さらに、応用用途の視点で見ると、最小パルス幅が狭いということは、高い入力電圧を低い出力電圧に一気に変換するアプリケーションに使われる可能性が非常に高い。つまり、かなり高い入力電圧が印加されることが予想される。過電流の検出値が仮に2Aだったとしても、入力電圧が48Vであれば、12Vのときと比べると電力は4倍になる。その分だけ、過電流発生時にDC-DCコンバーターICに与えるダメージは大きくなる。

最小パルス幅が9nsと極めて狭いDC-DCコンバーターICでは、従来の過電流保護機能を適用できない。考え方を一新する必要がある。

従来の保護方法は、「通常動作の範囲外にある異常状態を1つひとつしらみ潰しにする方法」と表現できるだろう。しかし、この保護方法では9nsの最小パルス幅には対応できない。そこで今回新たに考案したのは、従来回路に加えて、「通常動作の範囲外にあるものはすべて異常状態として認識し、すぐに対策を打つ」という保護方法である（図11）。この新しい保護方法で重要になるのは、通常動作をいかに定義するかにある。通常動作さえ定義できれば、異常状態を検出するのは簡単だ。

図11　従来の保護方法と新しい保護方法の考え方の違い
従来の保護方法は、異常動作をそれぞれ1つずつ個別に潰していた。新しい保護方法では、通常動作を定義し、それを外れたケースは異常状態としてひとくくりに認識して対処する。

そこでまず、DC-DCコンバーターICの通常動作を考えてみた。一般に、DC-DCコンバーターICは、PWM信号で出力電圧を制御している。入力電圧と出力電圧の関係は次式で定義される。

DC-DCコンバーターICは、常に入力電圧と出力電圧の情報を保持している。周期は既知である。従って、PWM信号のパルス幅は、スイッチ素子をオンする段階ですでに決まっている値だ。このパルス幅は、入力電圧と負荷の変動で変調されるが、その変調幅は狭い。これがDC-DCコンバーターICの通常動作である。

ところが異常状態になると、変調幅が極めて広くなったり、狭くなったりする。従って、パルス幅とその変調幅を常時チェックし、それが通常動作の範囲を外れれば、異常状態と判断できる。パルス幅は、前述の式から分かる通り、入力電圧の関数と考えていい。出力電圧と周期は固定だからだ。変調幅は、フィードバックループのゼロクロス周波数（利得が1になる周波数）で決まる。ゼロクロス周波数が高くなればなるほど、応答速度は高くなる。つまり、変調幅が大きくなる。逆に、ゼロクロス周波数が低くなれば、変調幅は小さくなる。

従って、入力電圧とゼロクロス周波数という2つのパラメーターを使えば、通常動作におけるパルス幅を定義できる。言い換えれば、通常状態と異常状態の境界線を引けることになる（図12）。境界線の外側はすべて、異常状態と判断して構わない。判断は、入力電圧とゼロクロス周波数の情報を持つPWM制御回路で実行する。この方法を使えば、極めて狭いパルス幅を有効に活用できるため、素早い判断が可能になり、9nsと極めて短い最小パルス幅のDC-DCコンバーターICに適用可能な過電流保護機能を実現できる。

図12　新しい過電流保護機能の着想
入力電圧とゼロクロス周波数（Fzero）の２つのパラメーターを使用することで、通常状態と異常状態の境界線を引くことができる。

今後は、さらに狭い最小パルス幅の実現に挑む考えだ。前述のように、現状では9ns、もしくは実力的には6nsが限界だと考えている。その限界を決めているのは、スイッチ素子の材料であるSiだ。そこで将来はGaN（窒化ガリウム）材料を使うことでさらなる狭パルス化を狙う。現時点では、どの程度狭くできるかは不明だが、最小パルス幅をさらに狭くできるだろう。

その結果、DC-DCコンバーター回路では、入出力の電圧差がさらに大きな変換や、スイッチング周波数の高周波化が可能になる（図13）。スイッチング周波数を大幅に高めれば、DC-DCコンバーター回路を大幅に小型薄型化できる。ナノ・パルス・コントロール技術とGaNパワーデバイスの組み合わせは、DC-DCコンバーター技術を大きく進化させるはずだ。