DC/DCコンバータの並列化のガイドライン

はじめに

電力系統の設計では、通常、出力電力、ノイズ特性、起動時および定常状態における負荷が必要とする安定性などの観点から、さまざまな補助機能が規定されます。電力安定性の確保は極めて重要であり、電力過渡現象、入力電力の変動、およびそれに応じてシステムが適応または応答する能力を管理するための明確な規定と要件が必要です。サイズ、重量、コスト、信頼性といった追加要素も重要な考慮事項です。

このような仕様を満たす概念設計を開発する際、エンジニアは多くの場合、必要な機能を効率的に実装することを目指し、社内や業界の既存の製品の再利用を検討します。製品の再利用を積極的に行うのは、コスト削減、開発スケジュールの短縮、リスクの最小化という経営陣の目標によるところが大きいと言えます。このプロセスにおいて、設計者は既存のDC/DCコンバータが必要な出力を満たさない状況に直面することがあり、複数のDC/DCコンバータを並列接続して、必要な電力レベルを達成することは可能か？という疑問が生じます。

このブログでは、DC/DCコンバータの並列化に伴う考慮事項と制限事項を取り上げます。

考慮事項

2つ以上のDC/DCコンバータを並列に接続して、2倍、3倍のディレーティング電力を得たいと思うかもしれません。しかし、これから説明するように、このアプローチは一筋縄ではいかず、いくつかの課題があります。システムの不安定性、高いリップル、プリント配線板（PWB）上のスペースの非効率的な使用といった潜在的な問題があり、複数のコンバータを並列接続するメリットを上回ってしまう可能性があります。

最も単純な解決策は、負荷を分割できるかどうかを評価することです。負荷が複数の機器で構成されている場合、コンバータ出力を並列にする必要はないかもしれません。その代わりに、図1に示すように、各コンバータを負荷の特定の部分に割り当てることができます。

図1：複数のコンバータから複数の負荷に電力を供給します。（画像提供：Ganmar Technologies）

負荷リターンが一般的な「ケルビン」シングルポイントスター構成に従っていることを確認してください。これにより、グラウンドループのリスクを最小限に抑えることができますが、具体的な推奨事項については、システムのグランド設計チームに相談することが重要です。

負荷を分割できない場合は、より複雑な並列化戦略を採用しなければなりません。ほとんどのコンバータでは、フィードバック信号は負荷に接続された出力から直接サンプリングされます。このフィードバックノードは、ループの性能に大きな影響を与え、不安定になることがあります。これを避けるためには、内部フィードバックループの動作と、それを正しく統合する方法を理解することがたいへん重要です。並列コンバータ間の電力分配を制御し、均等にするためには、追加の回路が必要になります。この設計は複雑ですが、多くのメーカーがこのようなスキームを実装するための文書やガイダンスを提供しています。しかし、設計とテストは依然として困難であり、知識と経験の豊富な設計者が必要です。このような設計は、使用するコンバータによって異なるため、このブログではこれ以上詳しく説明しません。

並列電流源コンバータ

図2は、2つのコンバータを並列接続するための簡略化したモデルです。コンバータが電流源として機能する場合、それらを並列化すると個々の電流の合計になります。

図2：並列電流源コンバータの図解モデル。（画像提供：Ganmar Technologies）

GMR10DXコンバータによるパラレル接続

Ganmar TechnologiesのGMR10Dxシリーズパワーコンバータは、出力が電流源のように動作するトポロジを特徴としています。図3では、フィードバックループがトランスの1次側に接続され、出力負荷回路から絶縁されています。

図3：GMR10Dxのトポロジ。（画像提供：Ganmar Technologies）

図4に示すように、これらのコンバータを並列化するには、主にドループ抵抗器を含めるなど、最小限の追加回路しか必要としません。ドループ抵抗器は、各コンバータの出力電圧の変動に対応するのに役立ちます。また、GMR10DXファミリを使用する場合、他の出力に最小限の負荷を与えることで、安定した性能を確保できます。さらに、22uF/25VのMLCCコンデンサ（X7RまたはX5R）と470uF/35Vのタンタルコンデンサを負荷側に配置し、ICに電源を供給する際の標準的な方法であるローカルパルス電流をサポートします。高負荷がかかると部品の定格を超える可能性があるため、熱管理に注意してください。設計上の課題については、Ganmar Technologiesのテクニカルサポートをご利用ください。

図4：より大きな負荷に電力を供給するためのコンバータの並列化。（画像提供：Ganmar Technologies）

その他の推薦事項

接地管理は、システムエンジニアリングの重要な側面ですが、見落とされることもあります。整流されたAC電源（単相または3相）からコンバータに電力を供給する場合は、1次側のリターンを分離しておくことを推奨します。

まとめ

複数のDC/DCコンバータを使用して、負荷により高い起動電力またはバイアス電力を供給することは可能です。負荷が複数のデバイスで構成されている場合、各デバイスを個別のコンバータで給電し、すべてを単一の共通リターンに接続することができます。負荷を分割しない場合、コンバータはフィードバックループの安定性に注意しながら並列化する必要があります。GMR10Dxファミリは、最小限の追加部品で並列化でき、Ganmar Technologiesは、アプリケーションの詳細をサポートする技術サポートを提供しています。