AC/DC ＆ DC/DC コンバータ：標準的な電源ソリューションとアプリケーション
電源設計の専門家は、設計アーキテクチャに高品質な AC/DC 電源、DC/DC コンバータ、およびスイッチングレギュレータを使用することで、ユーザーに愛用される高信頼性の最終製品を実現できることをご存知でしょう。医療、試験・計測、産業、モビリティ、自動化、モノのインターネット（IoT）、高電力密度など、幅広いアプリケーションにおいて、コンパクトな電源には多くの設計要件が存在します。
コンセントに接続される電子機器には、AC 入力電力を DC 出力電力に変換する高品質な AC/DC コンバータが必要です。ほとんどの設計において、半導体デバイスは DC 電力で動作します。DC/DC コンバータは、特に入力電源が変動する場合に、安定した調整電圧で設計に電力を供給するために一般的に選択されます。この種の電力コンバータは、高周波スイッチング回路を搭載し、インダクタ、スイッチ、コンデンサと組み合わせることでシステム内のスイッチングノイズを低減します。その結果、堅牢で安定した調整 DC 電圧出力が得られます。
コンセントに接続される電子機器には、AC 入力電力を DC 出力電力に変換する高品質な AC/DC コンバータが必要です。ほとんどの設計において、半導体デバイスは DC 電力で動作します。DC/DC コンバータは、特に入力電源が変動する場合に、安定した調整電圧で設計に電力を供給するために一般的に選択されます。この種の電力コンバータは、高周波スイッチング回路を搭載し、インダクタ、スイッチ、コンデンサと組み合わせることでシステム内のスイッチングノイズを低減します。その結果、堅牢で安定した調整 DC 電圧出力が得られます。
DC/DC コンバータ：基本概要
DC/DC コンバータにはさまざまな種類があり、それぞれ電子システムにおける特定の電圧調整ニーズに応えるよう設計されています。以下では、DC/DC コンバータの異なる種類を詳しく見ていき、その主な機能と特徴を考察します。
バックコンバータ
降圧型（バック）コンバータは、より高い DC 入力電圧を、安定化されたがより低い DC 電圧に出力側で変換することができます（図 1 を参照）。
図 1：単純な DC/DC バックコンバータ電圧レギュレータの例（出典：参考文献 1）
バックコンバータの利点は損失が低いことで、97% を超える効率性を実現できます。スイッチング周波数は数百 kHz まで達します。小型のインダクタを使用することで優れた電力密度アーキテクチャを実現し、高速な過渡応答能力を備えています。スイッチングサイクル中、FET スイッチが無効になると出力レベルはゼロに低下します。これにより、非常に低い無負荷電力消費が可能になります。これらの利点を総合すると、バックレギュレータは様々なアプリケーションにおいて、線形電圧レギュレータの魅力的な代替品となります。
ただしバックコンバータには短所も存在します。パルス幅変調（PWM）レギュレータのフィードバック回路には、適切な調整を達成するために最小限の出力リップルが必要です。これは調整がサイクルごとに行われるためです。さらに、出力リップルはデューティサイクルに依存し、50% で最大となります。この場合、リップルとノイズを μV レベルまで低減することは不可能で、これはスイッチングを行わない線形レギュレータを使用する場合にのみ達成できます。
設計者がよりクリーンな電源を必要とする場合、バックレギュレータの後段に線形レギュレータを配置することで、両方のトポロジの最適な性能を実現できます。これは、線形レギュレータの電源抑制比（PSRR）が出力側のリップル / ノイズを大幅に低減するため可能となります。
図 1：単純な DC/DC バックコンバータ電圧レギュレータの例（出典：参考文献 1）
バックコンバータの利点は損失が低いことで、97% を超える効率性を実現できます。スイッチング周波数は数百 kHz まで達します。小型のインダクタを使用することで優れた電力密度アーキテクチャを実現し、高速な過渡応答能力を備えています。スイッチングサイクル中、FET スイッチが無効になると出力レベルはゼロに低下します。これにより、非常に低い無負荷電力消費が可能になります。これらの利点を総合すると、バックレギュレータは様々なアプリケーションにおいて、線形電圧レギュレータの魅力的な代替品となります。
ただしバックコンバータには短所も存在します。パルス幅変調（PWM）レギュレータのフィードバック回路には、適切な調整を達成するために最小限の出力リップルが必要です。これは調整がサイクルごとに行われるためです。さらに、出力リップルはデューティサイクルに依存し、50% で最大となります。この場合、リップルとノイズを μV レベルまで低減することは不可能で、これはスイッチングを行わない線形レギュレータを使用する場合にのみ達成できます。
設計者がよりクリーンな電源を必要とする場合、バックレギュレータの後段に線形レギュレータを配置することで、両方のトポロジの最適な性能を実現できます。これは、線形レギュレータの電源抑制比（PSRR）が出力側のリップル / ノイズを大幅に低減するため可能となります。
ブーストコンバータ
昇圧型（ブースト）コンバータの電源設計は、低い入力電圧を、出力側で安定かつ堅牢な高い電圧に変換します（図 2 を参照）。
図 2：単純な DC/DC ブーストコンバータレギュレータの例（出典：参考文献 1）
ブーストコンバータアーキテクチャを使用する利点は、出力電圧をマークスペース比（ハイ時間とロー時間の比率、またはデューティサイクルとして定義）で調整できることです。例えば、50% のデューティサイクルは、PWM 信号の電圧ハイ時間が電圧ロー時間と等しい場合に発生し、入力電圧 VIN と同等か、またはそれ以上に「昇圧」されます。
この機能により、ブーストコンバータは例えば、低いバッテリ電圧出力をより有用な高電圧レベルに昇圧することができます。ただし、入力電圧の 2 倍から 3 倍を超える昇圧比にすると、フィードバックの安定性を堅牢なレベルに維持することが難しくなります。さらに、入力電流パルスは昇圧ゲインに比例して増加するため、入力電圧を 3 倍にするコンバータは入力電流の 3 倍を消費します。このレベルのパルス状入力電流は、EMI の増加やバッテリ入力線での電圧降下を引き起こす可能性さえあります。
ブーストコンバータのもう一つの短所は、入力と直列に配置された 2 番目のスイッチを追加しない限り、出力をオフにすることができないことです。これは PWM コントローラのみを無効にしても、負荷が入力から切断されないためです。電源設計者は、ブーストコンバータの入力電圧が出力電圧を超えないようにするべきです。そのような場合、PWM コントローラは図 3 の S1 を連続的に開いたままにする可能性があります。入力と出力は L1 と D1 から直接接続され、調整が行われなくなります。これにより、コンバータとその負荷を迅速に損傷させる可能性のある非常に有害な電流が流れる場合があります。この状況を回避できない設計者は、降圧と昇圧の両方の動作を許可する代替トポロジを採用しなければなりません。
図 2：単純な DC/DC ブーストコンバータレギュレータの例（出典：参考文献 1）
ブーストコンバータアーキテクチャを使用する利点は、出力電圧をマークスペース比（ハイ時間とロー時間の比率、またはデューティサイクルとして定義）で調整できることです。例えば、50% のデューティサイクルは、PWM 信号の電圧ハイ時間が電圧ロー時間と等しい場合に発生し、入力電圧 VIN と同等か、またはそれ以上に「昇圧」されます。
この機能により、ブーストコンバータは例えば、低いバッテリ電圧出力をより有用な高電圧レベルに昇圧することができます。ただし、入力電圧の 2 倍から 3 倍を超える昇圧比にすると、フィードバックの安定性を堅牢なレベルに維持することが難しくなります。さらに、入力電流パルスは昇圧ゲインに比例して増加するため、入力電圧を 3 倍にするコンバータは入力電流の 3 倍を消費します。このレベルのパルス状入力電流は、EMI の増加やバッテリ入力線での電圧降下を引き起こす可能性さえあります。
ブーストコンバータのもう一つの短所は、入力と直列に配置された 2 番目のスイッチを追加しない限り、出力をオフにすることができないことです。これは PWM コントローラのみを無効にしても、負荷が入力から切断されないためです。電源設計者は、ブーストコンバータの入力電圧が出力電圧を超えないようにするべきです。そのような場合、PWM コントローラは図 3 の S1 を連続的に開いたままにする可能性があります。入力と出力は L1 と D1 から直接接続され、調整が行われなくなります。これにより、コンバータとその負荷を迅速に損傷させる可能性のある非常に有害な電流が流れる場合があります。この状況を回避できない設計者は、降圧と昇圧の両方の動作を許可する代替トポロジを採用しなければなりません。
バックブースト（反転）コンバータ
バックブーストコンバータ（フライバックコンバータとも呼ばれます）は、入力電圧を調整された負の出力電圧に変換することができ、その出力電圧は入力電圧の絶対値レベルより高くも低くもなります。図 3 の画像は、バックブーストコンバータの簡略化された回路図を示しています。
図 3：バックブーストレギュレータの簡略化された回路図（出典：参考文献 1）
バックブーストコンバータの入力電圧は、調整された出力電圧より高くても低くてもよいです。この機能は、放電時に 9V、満充電時に 14V といった端子電圧を持つバッテリから安定した電圧出力を必要とするアプリケーションに役立ちます。バックブーストコンバータは太陽電池の出力を安定化するのに役立ちます。太陽電池は明るい日差しの下では高電圧と高電流を供給できますが、日差しが遮断または减弱すると低電圧と低電流に戻ります。このような例で電圧 / 電流の関係が変化する場合、入力 / 出力電圧比を連続的に調整できるため、バックブーストコンバータは最大電力点追跡（MPPT）に非常に有用です。
バックブーストコンバータの最大の短所は、出力電圧が反転することです。バッテリと共に使用する場合、バッテリ電源を浮動させたままにすることができ、-VOUT をグランドに接続して正方向の出力電圧を得ることができるため、出力電圧の反転は問題になりません。もう一つの短所は、スイッチ S1 がグランド接続を持たないことです。これは PWM 出力回路にレベルシフタが必要であることを意味し、設計コストと複雑さを迅速に増加させる要因となります。
図 3：バックブーストレギュレータの簡略化された回路図（出典：参考文献 1）
バックブーストコンバータの入力電圧は、調整された出力電圧より高くても低くてもよいです。この機能は、放電時に 9V、満充電時に 14V といった端子電圧を持つバッテリから安定した電圧出力を必要とするアプリケーションに役立ちます。バックブーストコンバータは太陽電池の出力を安定化するのに役立ちます。太陽電池は明るい日差しの下では高電圧と高電流を供給できますが、日差しが遮断または减弱すると低電圧と低電流に戻ります。このような例で電圧 / 電流の関係が変化する場合、入力 / 出力電圧比を連続的に調整できるため、バックブーストコンバータは最大電力点追跡（MPPT）に非常に有用です。
バックブーストコンバータの最大の短所は、出力電圧が反転することです。バッテリと共に使用する場合、バッテリ電源を浮動させたままにすることができ、-VOUT をグランドに接続して正方向の出力電圧を得ることができるため、出力電圧の反転は問題になりません。もう一つの短所は、スイッチ S1 がグランド接続を持たないことです。これは PWM 出力回路にレベルシフタが必要であることを意味し、設計コストと複雑さを迅速に増加させる要因となります。
DC/DC コンバータのアプリケーション
DC/DC コンバータは電子機器産業において多くのアプリケーションを持っています。以下では、主なアプリケーション分野について説明します。
自動化
一般的に、自動化アプリケーションに DC/DC 電源を使用する主な要件は絶縁性に集中しています。絶縁性により、電源設計が他の機器への干渉を回避することが保証されます。また、DC/DC コンバータは、自動制御システムの動作を妨げる可能性のあるグランドループや電位差を回避するようにシステムに設計する必要があります。
例えば、自動化において絶縁型 DC/DC コンバータはグランドループを切断するのに役立つ場合があります。これにより、回路のノイズに敏感な部分をノイズ源から分離することができます。調整された絶縁型 DC/DC コンバータは、この絶縁性を利用して電気的ノイズを最小限に抑えることができます。電圧変換のために絶縁型で調整された DC/DC コンバータを選択することは、電気的ノイズの絶縁を防ぎ、線路サージや電圧低下 / ドロップに対する耐性を保証するのに役立ちます。
例えば、自動化において絶縁型 DC/DC コンバータはグランドループを切断するのに役立つ場合があります。これにより、回路のノイズに敏感な部分をノイズ源から分離することができます。調整された絶縁型 DC/DC コンバータは、この絶縁性を利用して電気的ノイズを最小限に抑えることができます。電圧変換のために絶縁型で調整された DC/DC コンバータを選択することは、電気的ノイズの絶縁を防ぎ、線路サージや電圧低下 / ドロップに対する耐性を保証するのに役立ちます。
モノのインターネット（IoT）＆産業用モノのインターネット（IIoT）
IoT は消費者向けですが、IIoT は IoT のサブセットであり産業向けです。IoT と IIoT は、インターネット上で接続された相互に関連するオブジェクトのシステムであり、人間の介入なしにワイヤレスネットワークを介してデータを収集、共有、転送することを可能にします。これら 2 つのシステムは、分散型インテリジェンス、無数の相互接続されたセンサーとアクチュエータ、および分散型制御を特徴としています。
IIoT を構成するデバイスは、比較的少量のデータを生成する IoT デバイスに比べて大量のデータを収集します。IIoT の例として、単一のタービンコンプレッサブレードは 1 日あたり 500Gb を超えるデータを生成することができます。接続性以外にも、IoT と IIoT はこれらのデバイスが収集できる情報によって強力な洞察を得ることを目的としています。通常、産業用機械の状態を監視するなどの IIoT センサーに電力を供給するには、堅牢で絶縁型の DC/DC コンバータが必要です。重機の起動と停止時に大きな電力サージが発生する可能性があります。その結果、センサーを保護するために 3kV～4kV の絶縁性を持つ絶縁型 DC/DC コンバータが必要です。
スマートスペースを創造するため、IoT と IIoT は環境 / オブジェクトにセンサーを活用し、通信を通じてインテリジェンスを獲得します。IoT の例としては、周囲の光レベルや在室人数に応じて調整するスマート機能を備えた照明があるオフィス環境が挙げられます。IoT の範囲内では、機械が自身の機能を監視したり、家庭での日常ルーチンに適応したりすることができます。IoT は人間の快適性を提供しながら自動的にエネルギーを節約します。IoT にはまた、費用効率が高く高電力密度の DC/DC 電源モジュールを選択する電源設計者が必要です。この分野では、スマートオフィスなど、インテリジェントなセンサーノードが充満したアプリケーションが含まれます。エネルギーハーベスティングは DC/DC コンバータを活用するもう一つの優れたアプリケーションです。
IoT および IIoT 向けの電源は、低負荷から全負荷までの幅広い範囲で高効率である必要があります。高速な過渡電流と動的な負荷電流を処理するように設計された DC/DC 電源が、これらの環境に最も適しています。このような電源は、物理的にコンパクト、信頼性が高く、費用効率が良いものでなければなりません。これらの DC/DC 電源は、それらが電力を供給するように設計されたセンサー、プロセッサ、無線機、およびアクチュエータと同じくらい普及するでしょう。
「モノのインターネットとは」と題されたこのビデオをご覧ください。
IIoT を構成するデバイスは、比較的少量のデータを生成する IoT デバイスに比べて大量のデータを収集します。IIoT の例として、単一のタービンコンプレッサブレードは 1 日あたり 500Gb を超えるデータを生成することができます。接続性以外にも、IoT と IIoT はこれらのデバイスが収集できる情報によって強力な洞察を得ることを目的としています。通常、産業用機械の状態を監視するなどの IIoT センサーに電力を供給するには、堅牢で絶縁型の DC/DC コンバータが必要です。重機の起動と停止時に大きな電力サージが発生する可能性があります。その結果、センサーを保護するために 3kV～4kV の絶縁性を持つ絶縁型 DC/DC コンバータが必要です。
スマートスペースを創造するため、IoT と IIoT は環境 / オブジェクトにセンサーを活用し、通信を通じてインテリジェンスを獲得します。IoT の例としては、周囲の光レベルや在室人数に応じて調整するスマート機能を備えた照明があるオフィス環境が挙げられます。IoT の範囲内では、機械が自身の機能を監視したり、家庭での日常ルーチンに適応したりすることができます。IoT は人間の快適性を提供しながら自動的にエネルギーを節約します。IoT にはまた、費用効率が高く高電力密度の DC/DC 電源モジュールを選択する電源設計者が必要です。この分野では、スマートオフィスなど、インテリジェントなセンサーノードが充満したアプリケーションが含まれます。エネルギーハーベスティングは DC/DC コンバータを活用するもう一つの優れたアプリケーションです。
IoT および IIoT 向けの電源は、低負荷から全負荷までの幅広い範囲で高効率である必要があります。高速な過渡電流と動的な負荷電流を処理するように設計された DC/DC 電源が、これらの環境に最も適しています。このような電源は、物理的にコンパクト、信頼性が高く、費用効率が良いものでなければなりません。これらの DC/DC 電源は、それらが電力を供給するように設計されたセンサー、プロセッサ、無線機、およびアクチュエータと同じくらい普及するでしょう。
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産業用電源
産業用アプリケーションでは、フォークリフトやその他の物流機器は 320V～600V 定格のトラクションバッテリを使用します。一連の車載電源は、高電圧バッテリから 4kW 定格で高効率で 24V または 48V を生成するオプションがあります。19 インチラック製品バージョンはベースプレート冷却または液冷式とすることができます。
電気自動車（EV）
化石燃料の供給量が減少する中、電気自動車（EV）は化石燃料への依存を低減し、天然資源を維持するためのソリューションとして急増しています。
EV の開発は以下の特徴を持っています：
EV が道路に増えるにつれ、これらの自動車、バス、トラックにはより多くの充電ステーションが必要となり、主要な道路や高速道路沿いだけでなく地域の場所にも配置されています。EV 充電ステーションの電力レベルは急速に数 kW に達しています。増加した絶縁性と高い絶縁強度を持つ DC/DC コンバータは、これらの充電ステーションにとって極めて重要です。DC/DC コンバータは、EV 充電器のネットワークインターフェースに調整された電力を供給するために使用されます。このコンポーネントは、EV と充電ステーション間の信頼性の高い通信、およびインターネットへの接続性を保証します。
EV の開発は以下の特徴を持っています：
- バッテリ容量の増加
- 急速充電
- 長寿命化
- 電力密度の向上
EV が道路に増えるにつれ、これらの自動車、バス、トラックにはより多くの充電ステーションが必要となり、主要な道路や高速道路沿いだけでなく地域の場所にも配置されています。EV 充電ステーションの電力レベルは急速に数 kW に達しています。増加した絶縁性と高い絶縁強度を持つ DC/DC コンバータは、これらの充電ステーションにとって極めて重要です。DC/DC コンバータは、EV 充電器のネットワークインターフェースに調整された電力を供給するために使用されます。このコンポーネントは、EV と充電ステーション間の信頼性の高い通信、およびインターネットへの接続性を保証します。
鉄道
産業用高電力 DC/DC コンバータの主なアプリケーションの一つは鉄道アプリケーションです。この分野には、鉄道車両、車載および線路沿いアプリケーション、産業用アプリケーション、高電圧バッテリ駆動アプリケーション、および分散型電源アーキテクチャのアプリケーションが含まれます。通常、鉄道環境では DC/DC コンバータは、DC バッテリ電圧を様々な制御システムやエネルギーシステムで使用するために低電圧に変換するために使用されます。鉄道車両の設計には DC 電力分配システムがあり、発電機が故障した場合に電力を維持するためにバッテリが配置されています。
これらのアプリケーションでは、DC/DC コンバータは厳しい環境条件が動作に影響を与えないように EN 50155 に準拠して設計および製造されなければなりません。これらの DC/DC コンバータは、熱、霜、振動、機械的衝撃などの非常に厳しい条件に曝され、これらはすべて電子コンポーネントに深刻な損傷を与える可能性があります。エンジニアは、これらの潜在的に壊滅的な条件に耐えることができ、鉄道アプリケーションに認証された DC/DC コンバータを必要とします。
これらのアプリケーションでは、DC/DC コンバータは厳しい環境条件が動作に影響を与えないように EN 50155 に準拠して設計および製造されなければなりません。これらの DC/DC コンバータは、熱、霜、振動、機械的衝撃などの非常に厳しい条件に曝され、これらはすべて電子コンポーネントに深刻な損傷を与える可能性があります。エンジニアは、これらの潜在的に壊滅的な条件に耐えることができ、鉄道アプリケーションに認証された DC/DC コンバータを必要とします。
高電力密度
DC/DC コンバータの電力密度は、出力電力を DC/DC コンバータの体積で割った値であり、1 立方センチメートルあたりの出力電力ワット数で表されます。特定の体積に対してより多くの電力を提供する高い値は、設計上の利点となります。
小型パッケージでの電力：低電力 DC/DC コンバータの 3D 電力パッケージング
低電力、非絶縁型 DC/DC スイッチングレギュレータは、電力密度の向上によるより優れた性能への増大する需要を満たす費用効率の高いソリューションです。それらのパッケージは、ディスクリート設計と競合できるように小型である必要があります。非絶縁型 DC/DC 設計は、小型のフォームファクタを維持しながら高効率を達成するという課題に直面しています。ワイドバンドギャップ設計などの高速スイッチング技術の使用は、優れた効率を維持しながらサイズを縮小するのに役立ちます。RECOM は、オーバーモールドされた「フリップチップオンリードフレーム」構造により高電力密度を実現しています。設計におけるスイッチング電流ループの小型化により、EMI が低減されます。
3D 電力パッケージングで電力密度を向上させるには、「小型パッケージでの大電力」と題されたビデオをご覧ください。
3D 電力パッケージングで電力密度を向上させるには、「小型パッケージでの大電力」と題されたビデオをご覧ください。
産業用および電気自動車アプリケーション向け高電力密度 DC/DC コンバータ
RP は、30W～240W の電力定格と 4.5W/cm³ までの電力密度を持つ基板実装型 DC/DC コンバータです。これは、このクラスの DC/DC コンバータで利用可能な最高の電力密度の一つです。優れた電力密度を達成する主な理由は、これらのデバイスが設計にプレーナトランスを使用していることです。これらのトランスは、効率や出力電力を損なうことなく全体のパッケージサイズを縮小します。
この製造方法は完全自動化された生産プロセスをサポートし、高い信頼性と優れた費用効率をもたらします。これら 2 つのシリーズは、スペースに制約のある産業用、試験・計測用、輸送用、鉄道用、および 4:1 の入力電圧範囲、さらには優れた 10:1 の入力電圧範囲を必要とするその他の過酷なアプリケーションに最適です。
この製造方法は完全自動化された生産プロセスをサポートし、高い信頼性と優れた費用効率をもたらします。これら 2 つのシリーズは、スペースに制約のある産業用、試験・計測用、輸送用、鉄道用、および 4:1 の入力電圧範囲、さらには優れた 10:1 の入力電圧範囲を必要とするその他の過酷なアプリケーションに最適です。
医療
医療用アプリケーションは本質的に高リスクです。電子機器、特に電力電子デバイスを含むものは、非常に高い安全性と信頼性の基準を満たさなければなりません。医療用電源は、病院やその他の医療環境での医療用途に必要な基準を満たす特性を持っている必要があります。
医療用グレード DC/DC コンバータには、2MOPPを備えた強化絶縁、低漏れ電流、および 8mm を超えるクリページ / クリアランス距離が必要です。強化絶縁は、医療用安全基準 ES/IEC/EN60601-1 3 版を満たすために、標準的な絶縁を超える追加の安全レベルを提供します。高い絶縁性と低ノイズは、医療用グレード DC/DC コンバータにとって極めて重要です。このようなデバイスを含む機器には常に患者または操作者が関与するため、故障が発生した場合に彼らを保護しなければなりません。
医療用グレード DC/DC コンバータには、2MOPPを備えた強化絶縁、低漏れ電流、および 8mm を超えるクリページ / クリアランス距離が必要です。強化絶縁は、医療用安全基準 ES/IEC/EN60601-1 3 版を満たすために、標準的な絶縁を超える追加の安全レベルを提供します。高い絶縁性と低ノイズは、医療用グレード DC/DC コンバータにとって極めて重要です。このようなデバイスを含む機器には常に患者または操作者が関与するため、故障が発生した場合に彼らを保護しなければなりません。
高グレード医療用 DC/DC コンバータ
高グレード医療用 DC/DC コンバータは人間に安全であるように設計されています。これらは BF 型（患者に電気的に接続されているが心臓に直接接続されていない）または CF 型（患者の心臓に電気的に接続されている）の環境に対応しています。これらは保育器、超音波デバイス、または除細動器に使用できます。電源は 2MOPP仕様を満たしており、これには高い絶縁性と堅牢な絶縁能力が含まれます。内部トランスは強化絶縁を備えており、患者に到達する可能性のある漏れ電流を制限するのに役立ちます。
一部の医療用グレード DC/DC コンバータは調整されており、250VAC の動作電圧を持っています。追加の仕様には、5kVAC～10kVAC/1 分間の強化絶縁と 2µA までの低漏れ電流が含まれる場合があります。待機電力をミリワットレベルに低減できるその他のオプションもあります。非常にコンパクトな SIP7 パッケージの 1W コンバータは、現在市場で最も小さな完全な医療用電源です。中電力範囲の製品も提供されています。これらの DC/DC コンバータは 3.5W、5W、6W で費用効率が高く、SMD または THT パッケージで提供され、2:1 の入力電圧範囲を持ち、シリーズに応じて出力電圧は 3.3V、5V、9V、12V、15V、または 24V とすることができます。
一部の医療用グレード DC/DC コンバータは調整されており、250VAC の動作電圧を持っています。追加の仕様には、5kVAC～10kVAC/1 分間の強化絶縁と 2µA までの低漏れ電流が含まれる場合があります。待機電力をミリワットレベルに低減できるその他のオプションもあります。非常にコンパクトな SIP7 パッケージの 1W コンバータは、現在市場で最も小さな完全な医療用電源です。中電力範囲の製品も提供されています。これらの DC/DC コンバータは 3.5W、5W、6W で費用効率が高く、SMD または THT パッケージで提供され、2:1 の入力電圧範囲を持ち、シリーズに応じて出力電圧は 3.3V、5V、9V、12V、15V、または 24V とすることができます。
費用効率の高い医療用 DC/DC コンバータ
これらの DC/DC コンバータは、8mm を超えるクリページ / クリアランスを備えた 250VAC 連続動作絶縁を強化しており、2MOPP を提供します。また、最大 8kVDC の拡張強化絶縁を備えており、高電圧アプリケーションに適しています。クリティカルな医療用アプリケーションに必要なすべての主要機能が含まれていると同時に、コストが抑制されています。DC/DC コンバータはピンタイプと表面実装デバイスの両方で提供されています。
DC/DC コンバータの選択に関する考慮事項
絶縁型 DC/DC コンバータは以下の利点を提供します：
非絶縁型 DC/DC コンバータは以下の利点を提供します：
- 入力と出力の間のグランドを絶縁することで、DC 電源のグランド方式を出力側の負荷と異なるものにすることができます。
- 設計者は、出力に対して入力側の幅広いさまざまなレベルの DC 電圧を「マッピング」することができます。
- コンバータの出力側の静電容量が非常に低い場合、複数の絶縁型 DC/DC コンバータを同じ DC バスに並列に配置することがより容易かつ安全になります。
非絶縁型 DC/DC コンバータは以下の利点を提供します：
- それらの DC 入力と出力は同じ電位に接続されています。この種の DC/DC コンバータにはバック、ブースト、またはバックブースト型があります。
双方向 DC/DC コンバータ
双方向 DC/DC コンバータは、自動車、サーバー、再生可能エネルギーシステムなどの多くの新興アプリケーションにおいて比較的新しいアーキテクチャです。低電圧双方向 DC/DC コンバータは通常非絶縁型です。主なアプリケーションは 3 つあります：自動車、サーバー、再生可能エネルギーシステムです。
AC/DC コンバータ：基本概要
図 4 のトランスは 115V の 2 つの一次巻線を持っており、入力電圧セレクタスイッチを介して並列または直列に接続されているように示されています。直列に接続された 2 つの 6V 二次巻線は、公称 12VAC の出力を生み出し、これはブリッジ整流器 BR によって整流された後、出力コンデンサ（C）によって DC 平滑化されます。これにより、通常約 14VDC の出力電圧が得られます。フルブリッジ整流器は 4 つのダイオードを使用した一般的な構成を採用しています。
図 4：無調整基本 AC/DC コンバータ電源の例（出典：参考文献 2）
図 4：無調整基本 AC/DC コンバータ電源の例（出典：参考文献 2）
AC/DC コンバータのアプリケーション
AC/DC コンバータの多くのアプリケーションの中で、以下では主なものを探ってみます。
医療
電子機器が患者と直接接触せず、訓練を受けた操作者によってのみ取り扱われる場合、それらは操作者保護手段（MOOP）に分類されます。これは通常、実験室環境準拠のために 60950-1 および 62368-1 ITE 基準を満たす必要があることを意味します。医療用電子設計は MOPP を使用します。MOPP は、ANSI（米国国家標準協会）、カナダ標準協会、および IEC60601-1 に基づく欧州委員会など、世界中の標準化団体によって使用されている電気安全基準です。MOPP 安全基準は、医療用電気機器の基本的な要件を定めています。
AC/DC 電源を使用する医療用アプリケーションは、2MOPP を使用する場合に最高レベルの安全保護を達成します。一部の電源メーカーは、製品が 1MOPP か 2MOPP かにかかわらず、医療用承認を取得した製品として強調することに注意してください。これらのコンパクトな医療用グレード電源は、ユニバーサル AC 入力電圧範囲、4kVAC 絶縁、低待機電力消費、アクティブ PFC（>0.95）を備えており、最小負荷を必要としません。
詳細については、「医療用グレード AC/DC コンバータ - RACM シリーズ」と題されたこのポッドキャストを聴いてください。
AC/DC 電源を使用する医療用アプリケーションは、2MOPP を使用する場合に最高レベルの安全保護を達成します。一部の電源メーカーは、製品が 1MOPP か 2MOPP かにかかわらず、医療用承認を取得した製品として強調することに注意してください。これらのコンパクトな医療用グレード電源は、ユニバーサル AC 入力電圧範囲、4kVAC 絶縁、低待機電力消費、アクティブ PFC（>0.95）を備えており、最小負荷を必要としません。
詳細については、「医療用グレード AC/DC コンバータ - RACM シリーズ」と題されたこのポッドキャストを聴いてください。
自動化
自動化とは、センサー、アクチュエータ、およびフィードバック技術を使用して、継続的な制御なしに独立して動作する技術を指します。絶縁型ローカル電源は、センサー / フィードバック / アクチュエータ制御システムに電力を供給する電源アーキテクチャの重要な部分です。自動化技術用電源には、センサー、評価ユニット、およびアクチュエータに AC/DC 電力を供給するために必要なデバイスとモジュールが含まれます。これらは通常のエネルギーネットワークからの電圧をセンサーとアクチュエータに適したレベルに変換し、システム内での信頼性の高い動作を保証します。これらの電源は通常絶縁型であり、相互干渉、グランドループ、および電位差が自動制御システムを妨害しないようにします。
モノのインターネット（IoT）＆産業用モノのインターネット（IIoT）
IIoT は IoT のサブセットであり、センサー、接続性、クラウドプラットフォーム、分析などの共通技術を共有しています。IoT は分散型インテリジェンスを実現し、複数の相互接続されたセンサーとアクチュエータを特徴とし、分散型制御に焦点を当てています。指定されたスペース、環境、またはオブジェクトに統合されたセンサーは、通信機能を備えたインテリジェントセンサーを追加することで「スマート」システムを作成します。IoT に電力を供給するため、設計者は低待機電力消費を備えた高効率 AC/DC 電源を使用します。アプリケーション分野には、多数のインテリジェントセンサーノードを備えたスマートオフィスや、エネルギーハーベスティングが含まれます。
IoT アプリケーション向けの商用電源駆動 AC/DC 電源の要件について説明します。
AC/DC 電源は低電力である必要があります。通常のデバイスはわずか数ワットしか必要としないためです。電源は IoT センサーの厳しいスペース制約に対応するために小型である必要があります。さらに、電源は IoT ノードがアクティブモードとスリープモードの間で定期的に遷移することを反映して、負荷電流の大幅な変動に対応できなければなりません。AC/DC コンバータには、非常に低い無負荷電力消費という重要な機能が含まれている必要があります。これらの AC/DC コンバータはまた、国内外の商業および産業環境の電力システムとの互換性を保証するため、世界的な認証要件を満たす必要があります。広範な IoT 実装には大量の電源が必要であるため、費用効率が極めて重要です。
「モノのインターネットとは」と題されたこのビデオをご覧ください。
IoT アプリケーション向けの商用電源駆動 AC/DC 電源の要件について説明します。
AC/DC 電源は低電力である必要があります。通常のデバイスはわずか数ワットしか必要としないためです。電源は IoT センサーの厳しいスペース制約に対応するために小型である必要があります。さらに、電源は IoT ノードがアクティブモードとスリープモードの間で定期的に遷移することを反映して、負荷電流の大幅な変動に対応できなければなりません。AC/DC コンバータには、非常に低い無負荷電力消費という重要な機能が含まれている必要があります。これらの AC/DC コンバータはまた、国内外の商業および産業環境の電力システムとの互換性を保証するため、世界的な認証要件を満たす必要があります。広範な IoT 実装には大量の電源が必要であるため、費用効率が極めて重要です。
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ホームオートメーション、スマートホーム＆スマートオフィス
インテリジェントにネットワーク化されたスマートホームとスマートオフィスには、通常「常時オン」状態で動作する多数の低電力ノード、アクチュエータ、およびセンサーを備えた制御システムが必要です。ホームオートメーション向けの費用効率の高い AC/DC 電源は、非常に低い待機電力消費（例えば、わずか数十ミリワット）でスマートビルディングインフラストラクチャに継続的に電力を供給できる必要があります。これらの AC/DC 電源は、超広い入力電圧範囲を必要とし、家庭用（IEC/EN60335-1）、CE（LVD+EMC+RoHS2）、および産業用安全認証（IEC/EN/UL60950）を満たす必要があります。
ホームオートメーション、スマートホーム、およびスマートオフィスにおいて、AC/DC 電源は電源基板上および基板外の両方への設置のための組立技術を簡素化するためにコンパクトな設計を特徴としている必要があります。これらの電源はまた、スマートホームオートメーションアプリケーションへの電力供給のために、調整され、短絡保護され、過負荷保護されている間、強化絶縁を備えたローカル DC 電力を提供しなければなりません。設計者は、多用途の設置オプションのために 1W～20W のコンバータを選択するか、標準的な埋め込み式壁ボックスに対応する必要がある 3W～30W のコンバータを選択することができます。
低待機電力消費も必要です。欧州委員会の ErP エコデザイン指令の制限を下回る 35mW まで低くする必要があります。
ホームオートメーション、スマートホーム、およびスマートオフィスにおいて、AC/DC 電源は電源基板上および基板外の両方への設置のための組立技術を簡素化するためにコンパクトな設計を特徴としている必要があります。これらの電源はまた、スマートホームオートメーションアプリケーションへの電力供給のために、調整され、短絡保護され、過負荷保護されている間、強化絶縁を備えたローカル DC 電力を提供しなければなりません。設計者は、多用途の設置オプションのために 1W～20W のコンバータを選択するか、標準的な埋め込み式壁ボックスに対応する必要がある 3W～30W のコンバータを選択することができます。
低待機電力消費も必要です。欧州委員会の ErP エコデザイン指令の制限を下回る 35mW まで低くする必要があります。
産業用自動化
産業用 AC/DC 電力コンバータは、バッテリ充電に頻繁に使用されます。三相 AC 入力バッテリ充電器は通常 3.2kW（DC 入力最大 800V の RMOC3200 シリーズ）および 5kW（RMOC5000 シリーズ）の定格を提供し、最大 20kW までカスケード接続をサポートしなければなりません。両方のシリーズには 24/36/48/72/96/110V 公称の出力があります。SD2800シリーズは公称 44V または 24V の三相 AC 入力で動作し、それぞれ 2.8kW および 1.4kW で 28V または 14V を提供します。SAB10000 series シリーズは、三相 AC（20VDC 出力）または 600VDC 公称入力（24VDC 出力）から 10kW のバッテリ充電を提供します。このシリーズは双方向でもあるため、バッテリ充電電力を AC に戻すことができます。モジュラーなスタンドアロン電源因数補正フロントエンドは、800W、1600W、3200W（単相 AC 入力）および 4kW（三相 AC 入力）で提供されています。これらの製品は 19 インチラック、オープンフレームまたはシャーシ形式、またはカスタム構成で提供されています。
高電力密度
電力密度は単位体積あたりの出力電力を測定するもので、特にスペースに制約のある環境での電源にとって重要です。電力電子機器において、効率を向上させることは電力密度を高めるために重要です。電力密度を高める確実な方法の一つは、コンポーネントサイズを縮小することです。設計者は、設計ニーズを依然として満たす最小限のコンデンサ、インダクタ、トランス、およびヒートシンクを選択するべきです。最高の効率（99% 程度）と高電力密度（73W/in³）を必要とするアプリケーションは、ハイエンドサーバーと通信機器です。当然のことながら、これらのアプリケーションには AC/DC コンバータが使用されています。
産業用
現代の産業は、小さなサイズとフットプリント、および堅牢な電力密度数値を要求しています。スイッチングコントローラ、トポロジ、およびコンポーネントの最新の進歩により、AC/DC 電源は以前の設計のコンバータの 2 倍の電力密度を達成することができます。競争力を持つために、新しい設計は安全性、信頼性、効率性、および性能を向上させなければなりません。設計者は、選択した AC/DC コンバータが自分の設計でどの程度の AC 入力電圧変動を処理するかを知っておく必要があります。
ほとんどの産業では、世界中で使用するために AC 商用電源からの出力は公称 100VAC～277VAC の範囲です。AC/DC コンバータが全負荷から軽負荷、さらには無負荷条件までの全負荷範囲で効率的に機能することが極めて重要です。ほとんどの AC/DC コンバータは、認証機関（CB）レポートと共に UL/IEC/EN 基準による国際的な安全認証を取得しています。エネルギー節約は顧客にとって重要であり、多くのアプリケーションは電力消費を削減するために自動的に待機モードに切り替わります。
ほとんどの産業では、世界中で使用するために AC 商用電源からの出力は公称 100VAC～277VAC の範囲です。AC/DC コンバータが全負荷から軽負荷、さらには無負荷条件までの全負荷範囲で効率的に機能することが極めて重要です。ほとんどの AC/DC コンバータは、認証機関（CB）レポートと共に UL/IEC/EN 基準による国際的な安全認証を取得しています。エネルギー節約は顧客にとって重要であり、多くのアプリケーションは電力消費を削減するために自動的に待機モードに切り替わります。
試験・計測
試験・計測分野では、デバイスはデスクトップ製品からサーバーラック設置まで多岐にわたります。これらのシステムは AC 入力電圧を必要とし、公称 90VAC～277VAC の範囲であり、産業用アプリケーションではさらに高い場合もあります。低電力の PCB 実装型 AC/DC コンバータは 3W～20W の範囲であり、これらのシステムに頻繁に設計されています。40W～550W など、より高い電力が必要な場合、設計者はシャーシ実装型オプションを選択することができます。試験・計測環境でファンなしで動作することは課題です。この環境では、選択されたすべての AC/DC コンバータソリューションは、強制空冷の恩恵なしに高温で有用な電力を提供できなければなりません。
230W および 550W の製品は、ベースプレート冷却を追加することで提供されています。IEC/EN 61010、IEC/EN 62368、IEC/EN 60601、および EN 60335 の要件に従って、さまざまな最終アプリケーション環境の安全認証が利用可能です。AC/DC コンバータは、追加のコンポーネントを使用することなく電磁両立性（EMC）基準を満たさなければなりません。すべての AC/DC デバイスは低い商用電源漏れ電流を持たなければなりません。これは試験・計測アプリケーション、特に医療環境では極めて重要です。高感度な測定を必要とするアプリケーションには、低出力ノイズの AC/DC 電源が必要であり、これは多くの試験・計測システムの設計者にとって役立ちます。
230W および 550W の製品は、ベースプレート冷却を追加することで提供されています。IEC/EN 61010、IEC/EN 62368、IEC/EN 60601、および EN 60335 の要件に従って、さまざまな最終アプリケーション環境の安全認証が利用可能です。AC/DC コンバータは、追加のコンポーネントを使用することなく電磁両立性（EMC）基準を満たさなければなりません。すべての AC/DC デバイスは低い商用電源漏れ電流を持たなければなりません。これは試験・計測アプリケーション、特に医療環境では極めて重要です。高感度な測定を必要とするアプリケーションには、低出力ノイズの AC/DC 電源が必要であり、これは多くの試験・計測システムの設計者にとって役立ちます。
モビリティおよび e モビリティ
AC/DC コンバータは、AC から DC への変換プロセスを必要とする電子デバイスに電力を供給することができます。このセクションでは、モビリティと e モビリティの両方における AC/DC コンバータのアプリケーションについて説明します。
モバイルvsモビリティ：「モバイル」という用語はモバイルテクノロジーとデバイスに関連しており、本質的にモビリティを可能にする「基本要素」です。モビリティはモバイルを包含する包括的な用語であり、基本要素内のすべてが良好に連携して動作するかどうかを保証します。
モバイルvsモビリティ：「モバイル」という用語はモバイルテクノロジーとデバイスに関連しており、本質的にモビリティを可能にする「基本要素」です。モビリティはモバイルを包含する包括的な用語であり、基本要素内のすべてが良好に連携して動作するかどうかを保証します。
e モビリティ
e モビリティの典型的なアプリケーションには、電気自動車（EV）、すべての種類のスクーター、および同様の小型車両が含まれます。これらのデバイスには、デバイスのモータードライブと任意の補助機器のためのバッテリ充電器と車載電力コンバータが必要です。ガソリンエンジン車を電力で置き換えるには、より大きな充電ステーションとコンセントネットワークが必要です。現在、米国の道路沿いにはプラグイン電気自動車のための約 113,600 の充電コンセントが存在しており、その 36% がカリフォルニア州にあります。既存の充電時間を 20 分未満に短縮するために、はるかに高速な充電器を建設する協調的な取り組みが進行中です。
より複雑な製品では、バッテリコンディショニングやエネルギーバランスのための双方向コンバータなどの追加機能が必要です。この種のアプリケーションには、適切な AC/DC コンバータの堅牢な性能範囲が必要です。バッテリコンディショナー（鉛バッテリでの硫酸化を防止し、充電および維持するコンピュータ制御デバイス）は、電源因数フロントエンドと共に、高調波歪みを低減（例えば 45% から 5% に）し、システムの電源因数性能を大幅に向上させます。電源因数は、電気エネルギーが有用な仕事を行うためにどの程度効率的に使用されているかを測定します。
AC/DC e モビリティアプリケーションは、堅牢で信頼性が高く長寿命で、密封および耐候性オプションを備えた広範な環境機能、電源因数補正（PFC）、バッテリ充電 / コンディショニング機能、および 20kW + の定格を持っている必要があります。高電力 AC/DC コンバータは特殊なアプリケーションに使用できます。典型的な例は、公称 44V または 24V の三相 AC 入力で動作し、2.8kW または 1.4kW で 28V または 14V の機能を提供する AC/DC コンバータです。その他の AC/DC デバイスは、e モビリティ市場向けに特別に設計されたバッテリ充電器 / コンディショナーであり、24V 未満、24V、36V、48V、さらには 48V を超えるバッテリ電圧に分類されます。24V セグメントは通常、電気モビリティ収益シェアの 25% 以上を占めています。これらの AC/DC コンバータはそれぞれ 2kW および 1kW の定格であり、優れた広範な出力動作電圧範囲を備えており、設計者に柔軟なアプリケーションを可能にします。
このセグメントでは、一部の AC/DC コンバータはモジュラーなスタンドアロン電源因数補正フロントエンドを備えており、800W、1600W、3200W（単相 AC 入力）および 4kW（三相 AC 入力）の定格でも提供されています。これらの AC/DC ソリューションの一部は、19 インチラック、オープンフレームまたはシャーシ形式の設計に適合します。e モビリティにおけるこれらの AC/DC コンバータのその他の主なアプリケーションは、鉄道および輸送に加えて、EV および EV 充電システムです。
より複雑な製品では、バッテリコンディショニングやエネルギーバランスのための双方向コンバータなどの追加機能が必要です。この種のアプリケーションには、適切な AC/DC コンバータの堅牢な性能範囲が必要です。バッテリコンディショナー（鉛バッテリでの硫酸化を防止し、充電および維持するコンピュータ制御デバイス）は、電源因数フロントエンドと共に、高調波歪みを低減（例えば 45% から 5% に）し、システムの電源因数性能を大幅に向上させます。電源因数は、電気エネルギーが有用な仕事を行うためにどの程度効率的に使用されているかを測定します。
AC/DC e モビリティアプリケーションは、堅牢で信頼性が高く長寿命で、密封および耐候性オプションを備えた広範な環境機能、電源因数補正（PFC）、バッテリ充電 / コンディショニング機能、および 20kW + の定格を持っている必要があります。高電力 AC/DC コンバータは特殊なアプリケーションに使用できます。典型的な例は、公称 44V または 24V の三相 AC 入力で動作し、2.8kW または 1.4kW で 28V または 14V の機能を提供する AC/DC コンバータです。その他の AC/DC デバイスは、e モビリティ市場向けに特別に設計されたバッテリ充電器 / コンディショナーであり、24V 未満、24V、36V、48V、さらには 48V を超えるバッテリ電圧に分類されます。24V セグメントは通常、電気モビリティ収益シェアの 25% 以上を占めています。これらの AC/DC コンバータはそれぞれ 2kW および 1kW の定格であり、優れた広範な出力動作電圧範囲を備えており、設計者に柔軟なアプリケーションを可能にします。
このセグメントでは、一部の AC/DC コンバータはモジュラーなスタンドアロン電源因数補正フロントエンドを備えており、800W、1600W、3200W（単相 AC 入力）および 4kW（三相 AC 入力）の定格でも提供されています。これらの AC/DC ソリューションの一部は、19 インチラック、オープンフレームまたはシャーシ形式の設計に適合します。e モビリティにおけるこれらの AC/DC コンバータのその他の主なアプリケーションは、鉄道および輸送に加えて、EV および EV 充電システムです。
モビリティ
モビリティという用語は、EV、障害者用スクーター、およびその他の小型モバイル車両を指します。これらの車両には、モーターと補助機器を駆動するためのバッテリ充電器と車載電力管理が必要です。このセクターにおける AC/DC コンバータの主な特徴は、堅牢性、長寿命、高信頼性、厳しい環境要件、AC/DC 電源ソリューションの耐候性と密封、PFC、および 20kW 以上の電力定格です。バッテリコンディショニングにおいて、双方向電力コンバータはエネルギーバランスのために使用されます。電源因数フロントエンドもモビリティの一部です。新しいカスタム設計のために顧客仕様に適合させることができる作業プラットフォーム電源設計もあります。
偽造品 vs. 正規品コンポーネント
偽造電源コンポーネントは設計業界に大混乱を引き起こす可能性があります。これらのデバイスは誤動作するか、まったく機能しない可能性があります。もし機能する場合でも、人々に危害を加えたり、火災を引き起こしたりする可能性があります。当然のことながら、これらの結果のいずれもサプライヤーの評判を深刻に損なうでしょう。
適切なパートナーの重要性
購入者は、グローバルディストリビュータから既知のメーカーの製品を購入することを強くお勧めします。精通した設計者と購入担当者は、信頼できるディストリビュータおよびメーカーから電子コンポーネントと電源を入手することが、完全に機能し、信頼性が高く、安全な最終製品設計を保証する最善の方法であることを知っています。