基板実装コンバータを使用して、絶縁型・非絶縁型AC/DCおよびDC/DC電源要件に対応

現代の配電設備では、多くの場合、絶縁型と非絶縁型のAC/DCおよびDC/DCパワーコンバータの高度な組み合わせが必要となります。絶縁コンバータは主に、単一または複数の不具合が発生した場合のシステムおよびユーザー保護に必要です。また、信号の完全性を維持するために、絶縁されたサブ機能に電力を供給するためにも必要です。

原理的には、高度なICを使えば、低～中電力コンバータ（最大約1000ワット）を容易に設計することができ、異なるアーキテクチャがさまざまな性能トレードオフを提供します。しかし、これらのコンバータの開発と検証の現実は、また別の話です。少なくとも、出力電圧と電流定格、効率、過渡応答、物理的なサイズ、ライン、負荷、電源障害に対する保護など、基本的な機能性能要件を満たす必要があります。

設計上の課題は基本的な部分だけで終わるものではありません。安全、さまざまな負荷レベルにおける効率性、シャットダウン性能、熱性能、電磁妨害（EMI）の放射および感受性など、数多くの規制要件が存在します。これらの属性は、認証された試験所によって検証されなければならず、設計期間を大幅に延長することになります。単純な自作（DIY）の選択肢はすぐにリスクの高いものとなり、作るか買うかの判断は、購入に大きく傾くことが分かるでしょう。

もし納得がいかないのであれば、コンバータにはガルバニック絶縁も含まれていなければならないとお考えください。ほぼすべてのAC/DCコンバータに共通する要件ですが、一部のDC/DCコンバータにも必要です。この必要性により新たな規制、安全、認証要件が生じ、電源サイズに関わらず、自作か購入かの判断をさらに購入側に傾けることになります。

朗報は、基板実装絶縁型および非絶縁型パワーコンバータが、幅広い電圧・電流定格で利用可能であることです。これらにより、防衛、通信、試験・計測（絶縁型）、移動ロボット（非絶縁型）の各アプリケーションにおける製品の設計と展開が大幅に簡素化され、配電用に組み合わせて使用することもできます。

ドロップイン部品として、配電レールに最適化された位置でメインプリント回路基板（PCボード）上に配置することができます。さらに、個別のサポートやブラケットも不要です。手短に言えば、電源機能を完結した、すぐに使えるソリューションとして提供します。

絶縁の基本

ガルバニック絶縁とは、信号または電力経路の2つの側面の間に導電性（「オーミック」）経路が形成されるのを防ぐ電気的障壁のことです。ただし、この絶縁は、他の伝達方法を用いてエネルギーや電力が通過することを依然として可能にしなければなりません。設計に応じて、信号、電力、またはその両方に絶縁が必要となる場合があります。絶縁を実現するために使用される技術は、絶縁される電流フローの仕様によって異なります。

絶縁が必要な理由はいくつかあるでしょう。信号に関しては、センサの完全性向上、グランドループの解消、あるいは信号経路に電力が流れるといった障害発生時のユーザーおよび回路の保護を実現します。

電源については、主にユーザーの安全を確保し、AC電源ラインや高電圧DC電源との不用意な接触による感電を防ぐために必要です。また、非電源信号に使用される「フローティング」回路（回路がアースに接続されていない状態）のニーズにも対応しています。

一般的に絶縁とは、キルヒホッフの電流法則（KCL）に従って電流フローを制御する方法です。電流が流れるためには、ソースに戻る経路が必要であり、絶縁の役割はこの経路を断ち切ることです。感電の可能性があるシナリオでは、ユーザーを経由してグランドに戻る故障電流経路（図1、左）は、電源の絶縁型トランスによって遮断されます（図1、右）。

図1：感電を防ぐため、ユーザーを経由してグランドに戻る故障電流経路（左）は、電源の絶縁型トランスによって遮断されます。（画像提供：Lumen Learning）

一般的な感電事故のシナリオとして、絶縁体の損傷により通電中の電源線が機器の金属ケースに直接接触する場合が挙げられます。機器が意図したとおりに動作していても、アース/グランド接続が断線し（よくあることです）、故障電流がグランド線を安全に流れるのではなく、ユーザーを介してグランドに流れた場合、ユーザーは感電する可能性があります。

このリスクを管理するため、電源の絶縁機能が元の電圧源とデバイス間の電流経路を遮断します。これにより、両者の間に回路が形成されるのを防ぎ、配線不良があっても感電の危険がなくなります。

危険な電圧には、ACライン電圧と、マルチセルバッテリパックのような同等のDC電圧の両方が含まれることに注意してください。ほとんどの規制基準は、状況や電圧の種類にもよりますが、危険な電圧を約60ボルト以上と定義しています。

電源の絶縁はほとんどの場合、トランスを介した磁気結合で行われます。磁気結合は、電気的に効率的で、技術的に効果的であり、非常に柔軟性が高く、信頼性に優れています。また、規制要件と回路要件の両方を満たすように容易に調整できます。

優れた選択肢が多い理由

現代のシステムでは多くの電源レールが使用されるため、配電計画におけるアーキテクチャの選択肢に不足はありません。しかしながら、回路の一部を絶縁する必要がある一方で、他の部分は絶縁が不要か、あるいは絶縁してはならない場合、適切なパワーコンバータの選定は困難を伴うことがあります。

高電圧AC/DCまたはDC/DC電源レールに絶縁は必要ないものの、配電チェーンで絶縁が必要な場合があります。設計者が決定しなければならないことの中には、単一の大きな絶縁型電源を使用するか、複数の小さな絶縁型電源を使用するか、必要な場所だけに絶縁型電源を使用し、他の場所には非絶縁型電源を使用するかということがあります（図2）。

図2：システムレベルの完全な配電配置には、多くの場合、絶縁型と非絶縁型のAC/DCおよびDC/DCパワーコンバータの組み合わせが必要です。（画像提供：TDK-Lambda）

このようなニーズに対応するため、TDK-Lambdaでは、多くの入力/出力電圧および電流定格をカバーする、基板実装型の降圧/昇圧（バック/ブースト）絶縁型・非絶縁型AC/DCおよびDC/DCパワーコンバータを幅広く取り揃えています。例としては、以下の製品があります。

絶縁型AC/DC： PFE500F-28/Tは、85～265ボルトAC（VAC）入力用の単一出力、28ボルト/18アンペア（A）コンバータです。122 x 70 x 12.7ミリメートル（mm）のフルブリック密閉型モジュールで、3000VACの入出力間絶縁を特長としており、対流冷却や強制空冷が不可能な環境での使用に適しています。

非絶縁型AC/DC：同じくフルブリックサイズのPF1500B-360密閉型モジュールは、AC入力を安定化360ボルトDC（VDC）出力に変換します。絶縁型高電圧DC/DCコンバータを使用する分散型電源システム、または高電圧源を必要とする負荷での使用に適しています。定格は170～265VAC入力で1512ワット、85～265VACで1008ワットです。このモジュールの力率は0.98で、効率は最大96.5%です。

絶縁型DC/DC： GQA2W024A050V-007-R絶縁型DC/DCコンバータは、コンパクトで高性能な1/4ブリックのフットプリントで120ワットを供給し、最大3000VDCの入出力間絶縁を実現します。9～36ボルトの入力範囲で動作し、24Aで5ボルトを提供します。機械的パッケージは、複数のベースプレート、密閉型、ポッティング構成で提供され（図3）、外部コールドプレートまたはヒートシンクによる対流冷却と伝導冷却に対応しています。

図3：全体的なパッケージ設計とコンバータの冷却において最大限の柔軟性を設計者に提供するため、GQA2W024A050V-007-Rコンバータは複数のパッケージ構成で入手可能です。（画像提供：TDK-Lambda）

非絶縁型DC/DC： I6A24014A033V-003-R非絶縁型ポイントオブロード（PoL）DC/DCコンバータは、12または24VDC電源から高電流出力電圧を生成するのに適しています。9～40ボルトの入力範囲を備え、最大14Aを提供します。また、コンパクトな1/16ブリックパッケージで3.3～24ボルトの広い出力調整範囲を実現します。

まとめ

TDK-Lambdaは、さまざまなトポロジや入出力電圧仕様に対応した絶縁型および非絶縁型の基板実装型コンバータを提供しています。その結果、幅広い電源構成に対応できる、最適化された高性能の既製コンバータが実現しています。