48ボルトDC/DCレギュレータの並列使用による自律走行車の電力増加

自動車における12ボルトから48ボルトへの電源レールの移行は、アクティブサスペンション、ステアリング、室内温度制御、電動シートや電動ウィンドウ、高度なインフォテインメントなど、電気システムの増加に伴う電力に対する飽くなき需要によって推し進められています。48ボルト電源は、12ボルトをベースとするシステムの厳しい安全基準や性能基準を満たすために必要となる高価な部品や重い配線を削減しながら、効率的に多くのエネルギーを供給するスイートスポットであることが判明しました。

さらに、電気自動車（EV）が内燃機関（ICE）車両に取って代わるにつれて、48ボルトシステムの採用が加速するでしょう。EVは車輪を回転させるために400ボルト、あるいは800ボルトのシステムを使用していますが、サイバートラックを開発したテスラをはじめとするメーカーは、まったく新しい車両を設計する機会を得て、車両の残りの電気システムに48ボルトを標準的に組み込んでいます（図1）。

図1：将来の自動車は、ドライバのコックピットなどのシステムに48ボルトを使用することが多くなるでしょう。（画像提供：Vicor）

より低い抵抗損失でより大きな出力

しかし、なぜ成熟し、実績のある12ボルト技術から離れるのでしょうか。結局のところ、何十年もの間、非常に優れた機能を果たしており、今でも実績のある製品を供給する巨大な部品サプライチェーンを持っています。単純な答えは、かつての質素なクルマが室内灯、ラジオ、シガレットライター（そう、当時のクルマにはシガレットライターが内蔵されていた）のために電気を必要としていたのに対し、電動ステアリング、GPS、シートヒータは自動車設計者の夢の産物だったからです。標準の12ボルト以上の電源は必要ありませんでした。さらに、鉛蓄電池は1セルあたり約2ボルトの電圧を供給するため、標準的な6セルバッテリは、必要な12ボルトをごく基本的な（そして安価な）電圧調整で供給していました。

しかし、昨日の自動車設計者の空想は今日の現実となり、従来型、ソフトハイブリッド、ハイブリッドEV（HEV）、EVなど、あらゆるタイプの自動車がより多くの電力を必要としています。電力（P）（単位：ワット） = ボルト x 電流（単位：アンペア（A））という単純な方程式は、ボルトを上げるか電流を上げるか（あるいはその両方を少し上げる）すれば、より「力強さ」を得られることを教えてくれます。しかし、P = A² x 抵抗（単位：オーム（Ω））であることも分かっています。このことは、単に電流を増やすことで電力利得を得ることは、抵抗損失を増大させ、多くの熱管理上の課題を増やすことを物語っています。

同じ電流でより大きな電力を得るには、電圧を上げた方がいいのです。たとえば、12ボルトの電源から75ワットが必要だとします。これには75/12 = 6.25Aの電流が必要です。しかし、電源を48ボルトに上げれば、75/48 = 1.6Aの電流で同じ電力を供給できます。電流が75%減少するということは、自動車設計者がより軽い配線を使用できることを意味し、軽量化とコスト削減につながります（図2）。

図2：主要システムの電源を48ボルトに移行することで、自動車設計者はワイヤハーネスの重量とコストを削減できます。（画像提供：Vicor）

車載用以外でも使われ始めた48ボルト電源

48ボルトバスの恩恵を受けられる車輪付きシステムは自動車だけではありません。たとえば、倉庫用ロボット、車椅子、フォークリフト、ラストマイルの自律配送車などが48ボルト電源を活用しています（図3）。自動車の例とは異なり、これらの車両は主にトラクションモータに電力を供給するために48ボルトの電源を使用します。倉庫ロボットにシートヒータやインフォテインメントはほとんど必要ないからです。

図3：ラストマイルの自律走行型配送車両は、トラクションモータ用の48ボルト電源のおかげで、より迅速かつ効率的に目的地に到着します。（画像提供：Vicor）

これらの製品カテゴリでは、12ボルトの鉛蓄電池が、複数のセルで構成される48ボルトのリチウムイオン（Li-ion）蓄電池に置き換えられています。エンジニアとして、私たちはこのようなバッテリが公称48ボルトであることを知っていますが、放電するにしたがって電圧は低下します。つまり、バッテリがエネルギーを放出する際に電圧を安定させるには、優れたレギュレーションが必要です。

Vicor は、この種のアプリケーションに適した絶縁型（～3000ボルトDC（V_DC））の安定化DC/DCコンバータラインを提供しています。たとえば、14～72ボルトの入力から、 DCM2322T72S53A0T60 コンバータは、最大2.1Aで48ボルトの安定化出力を提供し、100ワットの電力出力を実現します。このコンバータは、高周波、ゼロ電圧スイッチング（ZVS）トポロジを特徴としており、90.1%の効率を達成することで、1立方インチ（in.³）あたり401ワットという高い電力密度を提供しながら、冷却を維持し、バッテリ寿命を延ばします。

電力増加

DCM2322T72S53A0T60は効率的なレギュレータですが、電動車椅子が坂道を登るときなど、特定の動作モードでは100ワット以上を要求するアプリケーションがあるかもしれません。より大きな電力出力を持つ48ボルトのDC/DCレギュレータを指定するのも1つの選択肢かもしれません。たとえば、 DCM2322TA5N53A2M60 は、入力電圧43～154ボルトから出力電圧48ボルトで最大120ワットを供給します。単一の大電力レギュレータを使用する場合のトレードオフは、通常、ピーク効率が多少低下することと、熱管理が難しくなることです。

あるいは、DCM2322T72S53A0T60をモジュールのアレイとして配置し、出力を増やすことも容易です。最大8台のアレイによって、最大800ワットの容量が得られます。良いニュースは、アレイの最大出力は、個々のモジュールの最大出力の合計であるということです。アレイのトポロジによるディレーティングはありません。さらに良いことに、アレイの各モジュールは、48ボルトで最大100ワットを供給しながら、必要に応じて異なる入力電圧で動作させることができます。

DCM2322モジュールをアレイモードで使用する場合、1つだけ設計上のトレードオフがあります。実際には、各DCM2322は、出力がコモンバスに供給される前に、単に出力コンデンサが必要だということです。また、すべてのモジュールが同じ入力電圧源を共有している場合でも、各DCM2322には個別の入力フィルタが必要です。フィルタの役割は、各モジュールから反射されるリップル電流を制限することと、複数のパワートレイン入力段によって直接相互作用ができる場合に生じる可能性のあるビート周波数電流の発生を抑制することです（図4）。

図4：DCM2322 DC/DC安定化電圧コンバータは、最大800ワットを供給するためにアレイ化することができます。回路図は、効率的で静かな動作に必要な入力フィルタとデカップリングネットワークを示しています。（画像提供：Vicor）

まとめ

12ボルトから48ボルトへの移行は、倉庫ロボット、電動車椅子、自律走行するラストマイル配送車などのアプリケーションに重要なシステム上の利点をもたらします。このような利点には、電流を抑えることで、より軽量で低コストのワイヤハーネスの使用を可能にすることなどがあります。

しかし、これらの最終製品が高度化するにつれて、電力需要も増加します。Vicorの複数の高電力密度安定化DC/DC電圧コンバータを並列に使用することで、電源システムを適宜拡張することができます。そうすれば、48ボルトのシステムで最大800ワット以上を供給できるようになります。