過酷な用途に最適な接触冷却式AC/DCパワーコンバータ

電子機器の増加に伴い、過酷な環境向けの電源装置やAC/DCコンバータモジュールの設計者は、性能、環境、およびパッケージングに関する要求がますます厳しくなっていることに直面しています。ライン接続型パワーコンバータモジュールの役割は基本的に変わっていませんが、現場で完全に機能させるためにはより多くのことが求められています。

まず、効率的な電源でも熱を発するため、冷却の問題があります。次に、設計者はシステムレベルでの電気的要件とフォームファクタの要件を考慮する必要があります。最後に、コンバータは設計を簡素化し、コンバータ、ユーザー、負荷を不測の事態から保護する機能を組み込む必要があります。

この記事では、過酷な環境を想定した電源システムの設計者が直面する課題について簡単に考察します。次に、Advanced Energyの504W、接触伝導冷却式AC/DCコンバータファミリを紹介し、これらの課題にどのように対処できるかを説明します。

冷却の課題について

ごく一部の例外を除いて、AC/DCコンバータをシステムに組み込む設計者は、発生する熱をどのように放散するかも決定しなければなりません。最新のコンバータは比較的高効率ですが、通常は80%から90%以上であり、それでも熱は発生するため、電源が過熱しないように熱を取り除く必要があります。そうしないと、性能と信頼性が損なわれることになります。

熱物理学では、この熱を放散する方法として次のような3つの方法が示されています（図1）。

1. 固体表面と固体表面が直接接触することによる伝導
2. 空気または液体などの移動流体による対流
3. 電磁（主に赤外線）エネルギーとして、真空でも発生しうる輻射

図1：熱エネルギーは伝導、対流、輻射のいずれかの方法で放散されます。（画像提供：Nuclear Power）

輻射に基づく冷却は、比較的少量の熱しか伝達しないため、電子システムには一般的に不向きとされています。しかし、宇宙空間の真空に熱を拡散させる必要のある宇宙探査機にとっては、輻射は不可欠です。

ほとんどの設計者は、コンバータユニットの開口部や通気孔を通る非強制（自然）的な対流またはファンによる強制的な空気流の対流から冷却戦略を始めることを選びます。この冷却方法は比較的安価で、評価も容易です。

しかし、対流冷却方式は多くの実環境では実現不可能です。コンバータは、水、雨、ほこり、その他の汚染物質から完全に保護するために、IP（侵入保護）等級の密閉ケース内に収められている必要があります。さらに、ほとんどの標準的なコンバータは、伝導による冷却を目的とした物理的な構成やパッケージングにはなっていません。

コンバータの筐体から隣接する表面への熱伝導のみによって冷却を行う必要がある場合には、別の設計が必要となります。これは接触冷却または冷壁冷却と呼ばれることが多いです。Advanced EnergyのArtesyn AIF500パワーコンバータファミリのパッケージ設計（図2）は、こうしたアプローチの好例です。

図2：Artesyn AIF500パワーコンバータは、接触冷却または冷壁冷却を使用しています。（画像提供：Advanced Energy）

これらの薄型ユニットは、プリント回路（PC）基板上に取り付けられます。業界標準のフルブリックベースプレートのフットプリントは4.6 × 2.4インチ（in.）、高さは0.55インチ（116.84 × 60.96 × 13.95ミリメートル（mm））、重量は9.2オンス（260グラム（g））です。

主に5G通信アプリケーションのリモート無線ヘッドRF電源要件向けに設計されています。また、ディスプレイや産業用アプリケーションにも適しています。平均故障間隔（MTBF）は100万時間以上です。

このモジュールは、ベースプレートを介して接触冷却されるように設計されており（図3）、-40°C～+100°Cの幅広いベースプレート温度範囲で、定格電力の全出力を供給できます。

図3：AIF500モジュールは、より低温の表面に直接接触するベースプレートを介して伝導冷却するように設計されています。（画像提供：Advanced Energy）

パワーコンバータの選択

あらゆるパワーコンバータの選択は、その中核となる性能要件から始まります。これには、線間電圧の定常変動、電圧過渡、負荷需要の変化、周囲温度の変化にもかかわらず、負荷に一定の出力電圧を供給する能力が含まれます。

完全に密閉されたAIF500ユニットは、90V_ACから264V_ACで動作します。オプションには、12V/42A固定出力のAIF42BAC-01N 、または48V/10.5A固定出力のAIF11WAC-01Nがあります。多くのアプリケーションで重要なパラメータであるフル出力までの起動時間は3.5秒（s）、ラインレギュレーションは±0.2%、負荷レギュレーションは±4%です。

AIF500コンバータは、幅広いACライン入力と安定したDC出力とともに、不足電圧ロックアウト（UVLO）、過電圧保護（OVP）、過電流保護（OCP）などの保護機能も内蔵しています。内部突入電流制限により、起動時の電流サージによる損傷を防ぐために必要な外部回路を最小限に抑えます。

さらに、このコンバータは、関連するEN、UL、カナダUL、IEC、EN 62368-1の安全規格に適合することが承認されており、CEおよびUKCAの安全マークを取得しています。これらの認証は、入力-出力間が4,000V_DC、入力-ベースプレート間が2,500V_DC、出力-ベースプレート間が100V_DCという複数の絶縁定格によって達成されています。

規制要件とグッドエンジニアリングプラクティスでは、高効率動作を得るために熱負荷を最小限に抑える必要があります。これらのコンバータは、定格出力電力の半分以上で動作する場合、90%を超える効率を提供します。たとえば、230V_ACラインから動作する12Vユニットの効率は、出力電力300W以上で93%以上です（図4）。300W以上では、力率（PF）は0.99を超え、規制の基準を上回ります。

図4：AIF500の電力変換効率は、中負荷定格以上で動作する場合、90%以上であり、熱放散を抑え、規制要件を満たしています。（画像提供：Advanced Energy）

システムレベルの特長と機能の追加

今日のコンバータは、AC入力用の2本のワイヤ、DC出力用の2本のワイヤ、そして2本のリモートセンシングリード線を超える機能を提供する必要があります。また、接続や機能を追加してシステムレベルで統合する必要があります。

たとえば、AIF500コンバータには、ダイレクトシングルライン「ユニットグッド」出力と、リモートイネーブル用のTTLレベル入力があります。イネーブルされていない時のスタンバイ電力は5Wです。コンバータにはPMBusインターフェースも搭載されているため、これらの通知および制御信号はコネクティビティの出発点に過ぎません。

その他の機能として、250mAで8V_DC～11V_DCの常時オン固定電圧補助出力があり、小型で重要な負荷をサポートします。

シングルユニットコンバータ構成で必要なのは、外部電磁妨害（EMI）フィルタ、ホールドアップコンデンサ、出力コンデンサのみです。

1台のAIF500ユニットの出力電流では不十分なアプリケーションの場合、ユニットはアクティブ電流共有に対応しており、ユニット間の相互接続を行うだけで、1台のユニット構成を最大10台まで拡張できます（図5）。この並列出力の構成では、2番目のユニット（および追加の各ユニット）用にホールドアップコンデンサと出力コンデンサを追加するだけで、他のコンポーネントは必要ありません。

図5：AIF500ユニット1台の動作に必要な外付け部品はわずかです（上）。より高出力電流が必要な場合は、最大10台まで簡単に並列化できます（下）。（画像提供：Advanced Energy）

PMBusによりグラフィカルユーザーインターフェース（GUI）が可能です。GUIは、設計者が開発段階にあるときやアプリケーションの展開中に、モジュールまたはモジュールの制御と監視を簡素化します。電圧、電流、主要な動作指標と物理的ポイントの状態を把握することができます。

まとめ

堅牢なAC/DCコンバータは、堅実な設計から始まりますが、適切な冷却を提供することは、特に露出した設置では常に問題となります。完全密閉型のArtesyn AIF500コンバータファミリは、接触冷却を使用してベースプレートで+100°Cまでの仕様に対応するよう設計されています。これらのユニットは優れた性能を発揮し、PMBusインターフェースなどの追加機能や特長を備えているため、単に安定化されたDC出力の重要な供給源としてではなく、システム互換のあるコンバータとして動作することができます。