カスタム電源ソリューション：AC/DC および DC/DC 設計

標準的なオプションを評価し、カスタム設計が必要かどうかを判断する際に、電源設計に関する考慮事項を理解することが非常に重要です。電源市場は複雑かつ動的であり、幅広いアプリケーション要件に対応し、エネルギー効率基準の向上に応え、進化する法規制要件を遵守するために、多様なアプローチが必要とされています。RECOM は豊富な標準製品ラインナップを提供していますが、特定のアプリケーションではテーラーメイドのソリューション-完全にカスタマイズされたアプローチ-が必要になる場合があります。

数十年前は、電源の設計は比較的単純な作業でした。当時の電源はリニア方式が主流であり、典型的な電源のフロントエンドは、トランスから全波ブリッジ整流器を経由し、大容量の平滑コンデンサに接続される構成でした。 このようなリニア設計は単純かつ信頼性が高く、非安定化電源で要件を満たせる場合には効率も良好でした。しかし、調整機能を追加すると効率が大幅に低下します。リニアレギュレータは、パス素子（パワートランジスタ）で出力電圧を降下させることで電圧制御を行うため、大量の熱が発生し、効率は 60％以下にまで低下することがあります。

スイッチング電源トポロジーの登場により、この状況は一変しました。入力された直流電圧を高周波のスイッチング電圧に変換して、目的の出力電圧と電流を生成することで、パワートランジスタは大部分の時間を効率的な「オン」または「オフ」状態で動作させ、電力損失を最小限に抑えることができます。スイッチング電源の設計方式は多岐にわたり、時間の経過とともに多数のスイッチングトポロジーが登場しました。それぞれ特定のアプリケーションに対して長所と短所を持っており、現在利用可能なオプションには、ブースト、バック、バックブースト、チャック、フライバック、フォワード、フルブリッジ、ハーフブリッジ、プッシュプル、SEPIC（シングルエンドプラスチャッシュインダクタコンバータ）、シンクロナスバック、2 スイッチフォワード、ワインバーグ、ゼータなどのトポロジーが含まれます。

さらに、ますます厳しくなる法規制により、ほとんどの AC/DC 設計にフロントエンドの力率補正（PFC）段を追加することが義務付けられています。高効率化を追求する動きにより設計の複雑性が高まり、初期の受動型 PFC から従来のブーストコンバータへ、さらには近年ではトーテムポールトポロジーへと進化しています。また、電力デバイスの種類も大幅に増加しています。バイポーラトランジスタは主に様々な MOSFET 技術に置き換えられ、シリコンにはシリコンカーバイド（SiC）や窒化ガリウム（GaN）も加わっています。

現在、スイッチング電源は MHz 帯の周波数で動作し、効率は 90％を大幅に超える水準に達しています。しかし、この性能向上により設計者の要件は大幅に高まり、現在では高周波磁性材料、熱管理、電磁両立性（EMC）、スイッチングトランジスタ技術、プリント基板レイアウト、デジタル・アナログ制御理論など、幅広い技術を熟知している必要があります。

DC/DC コンバータは、特定の電圧レベルを供給すると同時に、入力回路と出力回路の間に絶縁を提供します。この多機能なコンポーネントは、単一の基板上の電子部品に必要なすべての電圧を供給できます。DC/DC コンバータが提供する絶縁により、安全規格の遵守が保証されるとともに、干渉や故障保護といった課題に対処することができます。さらに、これらのコンバータは、分散電源アーキテクチャ（Distributed Power Architecture）システムに対して、クリーンかつ柔軟なソリューションを提供します。

DC/DC コンバータモジュールは、以下の 1 つ以上の目的を達成するように設計されています。

• 二次側負荷と一次側電源の整合
• 一次側回路と二次側回路の間の絶縁提供
• 故障、短絡、過熱に対する保護
• 安全、性能、EMC 規格の遵守の簡素化

RECOM の非安定型 DC/DC コンバータは、汎用的な電源絶縁および電圧整合アプリケーション向けに設計されています。これらのコンバータは、-40°C～+85°C の広い産業用温度範囲で、出力ディレーティング（定格低下）なしに動作します。

RECOM の安定型DC/DC コンバータは産業用アプリケーションに最適です。これらのコンバータは高い容量性負荷に対応でき、入力電圧が急激に変化した場合でも安定した出力電圧を維持します。また、広い温度範囲で出力ディレーティングなしに動作します。

DC/DC コンバータ主な仕様	説明
入力電圧範囲	動作温度範囲全体でコンバータがフルパフォーマンスを維持する電圧範囲
負荷変動特性	指定された出力負荷範囲における出力電圧の変化割合
電源変動特性	入力電圧が一定量変化した場合の出力電圧の変化割合
出力電圧精度	出力電圧が公称仕様にどれだけ近いかを示す値
リップルとノイズ	スイッチングサイクル中に入力または出力に発生する電圧変動と高周波ノイズ
入出力絶縁	入力回路と出力回路の間の絶縁耐力
絶縁抵抗	入力回路と出力回路の間の抵抗値
全負荷時効率	25°C、100％負荷条件下での、供給された出力電力と入力電力の比率
温度ドリフト	周囲温度が 1 度変化したときの、公称電圧に対する電圧変化割合
スイッチング周波数	コンバータのスイッチング回路の動作周波数（リップルは通常この周波数の 2 倍）
無負荷電力消費	出力負荷がゼロのときにスイッチング回路が消費するエネルギー（全体の効率を制限する要因）
絶縁容量	トランスの一次巻線と二次巻線の間の寄生容量
平均故障間隔（MTBF）	+25°C および最大動作条件下で MIL-HDBK-217F に基づいて算出される信頼性指標

AC/DC コンバータは、安全、コスト効率、エネルギー効率、信頼性、コンパクト性を備えることに加え、必須の法規制要件を満たす必要があります。RECOM の最新設計では、これらの法規制を遵守するため、無負荷および軽負荷条件を含む全負荷範囲での高効率化を優先しています。AC/DC コンバータと DC/DC コンバータの両方が、地域およびグローバルな要件を遵守するために、安全、EMC、エネルギー効率の基準を満たす必要があります。主な法規制要件は以下のとおりです。

電源市場は、厳しくなる法規制基準と高まる顧客の期待に牽引されて継続的に進化しています。これらの要求に応えるため、新しい技術が定期的に登場しています。
最近のトレンドは以下のとおりです。

• ワイドバンドギャップデバイス： シリコンカーバイド（SiC）や窒化ガリウム（GaN）といった材料は、優れた効率、スイッチング速度、熱特性を備えているため、電力アプリケーションにおいてシリコン MOSFET や IGBT の代替として普及しつつあります。
• 高度なトポロジー：ワイドバンドギャップデバイスによって実現されるトーテムポール PFC などの設計は、高効率化と回路の簡素化を実現します。
• 革新的なパッケージング：3 次元パッケージング技術は、内部部品を集積化して電力密度を高め、EMC 性能を向上させます。

RECOM は 30,000 点を超える標準的な DC/DC および AC/DC 製品を提供していますが、特定のアプリケーションではカスタム設計が必要になる場合があります。カスタマイズの範囲は、仕様の微調整から完全にオーダーメイドのソリューションまで多岐にわたります。

RECOM は 3 段階のカスタマイズを提供しています。

• 改変標準製品：既存製品の微細な変更（例：出力電圧調整、ピン配置変更）
• セミカスタム設計：より大幅な変更（多くの場合、安全上重要な部品の再認証が必要）
• フルカスタム設計：アプリケーションの特定要件に合わせて設計された完全な新製品

最もシンプルなレベルのカスタマイズは、既存の標準製品に変更を加えることです。RECOM および PCS のカタログ製品は、顧客のシンプルな要求に応えるために改変されることがよくあります。一般的な改変内容は以下のとおりです。

• 出力電圧の調整（例：OR ダイオードの追加を可能にするため、5V から 5.7V に変更）
• ピン配置の変更
• モールド材料の変更
• ピン長の変更（長くする場合または短くする場合）

これらの要求は通常実装が容易で、改変標準製品に分類されます。ほとんどの場合、既存の安全認証と EMC 認証は有効なままであり、コストと開発期間が大幅に削減されます。RECOM は改変標準製品の提供実績があり、特定の要件を満たす製品が既にカタログに存在している可能性があります。

RECOM の RHV2 および RHV3 DC/DC コンバータシリーズは、高真空システム、静電フィルタ、X 線発生装置などの高電圧産業用アプリケーション向けに設計されています。これらのコンバータは強化絶縁を備えており、20kVDC または 12kVAC の絶縁電圧に耐えることが認証されています。ある事例では、顧客が高電圧アプリケーションに RHV2-0505S/R20 を使用する必要がありましたが、標準の 30.5mm よりも大きい入出力ピン間隔が必要でした。解決策は以下のとおりでした。

• 二次側のピン配置を変更し、ピン 14 を削除
• ピン 15 を –Vout（負極出力）として再割り当てし、沿面距離と空間距離をさらに 2.54mm 増加させて 33mm を超える値とした

ピンの再割り当ては既に製品の試験報告書の仕様に含まれていたため、顧客は計測、制御、実験室用電気機器の安全要件に関する IEC/EN 61010-1 認証を維持することができました。


この改変は単純で、内部 PCB と標準作業手順（SOP）の調整のみが必要でした。その結果、改変された標準製品は通常の原価で納品され、カスタマイズに追加料金は発生しませんでした。

セミカスタム設計は、改変標準製品の次のレベルのカスタマイズです。セミカスタム設計と改変標準設計の主な違いは、変更内容が安全再認証を必要とするかどうかです。トランスの構造、フォトカプラや Y コンデンサの選択、沿面距離や空間距離といった安全上重要な部品や設計要素に影響を与える改変は、ほとんどの場合新しい認証プロセスが必要になります。

多くの場合、顧客の仕様は既存のプラットフォーム設計を使用して満たすことができます。これらの設計は実績のある性能と信頼性を備えており、フルカスタムソリューションに比べてコスト効率が高く効率的な代替案を提供します。社内の在庫部品、工具、製造プロセスを活用することで、セミカスタム設計は製品の安全認証と EMC 認証を簡素化し、リスクを低減し、市場投入時間を短縮します。

ある顧客は、内視鏡下手術および腹腔鏡下手術用の高周波ジェネレータを必要としていました。このシステムは、単極、双極、超音波、高度双極といった一般的なすべての手術用エネルギー形式をサポートしており、医療市場において独特なソリューションとなります。

この設計には以下のような課題がありました。

• 広い入力電圧範囲
• 限られた設置スペース
• 医療用安全認証の取得
• 高い信頼性

提案された解決策は、標準製品の 1.2kW に対して 2.2kW のピーク負荷を処理するように適合させた改変 RACM1200-48SAV/ENC でした。主な設計改変内容は以下のとおりです。

• 大容量コンデンサの容量を 2 倍に増加
• 突入電流回路の改変
• スイッチング部品のアップグレード
• 機械的レイアウトの再設計

このセミカスタムアプローチにより、顧客の仕様を満たしつつ、コスト効率を維持し、開発期間を最小限に抑えることができました。

フルカスタム電源コンバータは、顧客のアプリケーション向けに特別に作成されたもので、既存の製品をベースとしていません。ただし、設計プロセスはゼロから始まるわけではありません。開発を効率化するため、適切な場合には実績のあるビルディングブロック（基本構成要素）と既存の生産インフラストラクチャが活用されます。

一般的なカスタム設計プロジェクトは以下の工程に従います。

工程	説明
プロジェクト提案	顧客は技術要件（機能仕様、性能要件、技術基準、物理的寸法など）と商業要因（予算、予想生産量、目標コストなど）を詳細に記載した初期リクエストを提出します。
プロジェクト評価	技術要件の実現可能性、製造可能性、リソースの入手可能性について分析します。既存製品で要件を満たせず、R&D、テスト、生産のコストが許容範囲内で、プロジェクトの生産量がリソース投資を正当化できる場合に、プロジェクトは実行可能と判断されます。
プロジェクト計画	各フェーズのプロジェクトスケジュール、リソース配分、マイルストーンを明記した包括的な計画を作成します。
プロトタイプ開発	機能仕様の遵守を検証するためにプロトタイプを製造します。このフェーズで仕様が変更される場合があります。初期承認後、統計的に有効な性能試験とストレス試験を行うために、量産前プロトタイプ（少なくとも 50 台）を製造します。
設計検証試験（DVT）と量産検証試験（PVT）	これらの試験はプロジェクトの成功に不可欠です。RECOM は、予想されるすべての動作条件と故障条件下での設計の信頼性を実証するために、データシートと試験文書を提供します。試験には以下の項目が含まれます。 電気的ストレス試験および熱的ストレス試験 安全動作領域試験 長時間ソーク試験（連続動作試験） 衝撃試験および振動試験 量産公差試験 ネットワーク接続された試験ステーションを備えた RECOM の自動化試験ラボにより、環境条件に応じた迅速な評価が可能となります。
量産計画と認証計画	DVT 試験が十分に進行し、設計凍結を開始できる段階に達すると、量産計画が実行されます。これには部品調達、カスタム筐体の発注、印刷、パッケージングが含まれます。量産可能なプロトタイプは機関認証（UL、IEC、EN、CB レポート）のために提出されます。
量産	最終製品を製造、試験、顧客に納品するための組立ラインを設置します。
変更管理	製品ライフサイクル全体を通じて変更は避けられません。技術基準の更新（通常 3 年ごと）や主要部品の入手可能性の変化により、設計の改変が必要になる場合があります。これらの変更は製品変更通知（PCN）によって管理されます。製品ライフサイクル（PLC）文書は、顧客によって決定される製品の寿命末期まで維持されます。

RECOM のフルカスタム設計は 1W 未満から数 kW までの範囲をカバーしており、オーストリア、イタリア、台湾、中国にあるエンジニアリングチームが幅広い仕様に対応しています。イタリアの RECOM Power Systems（RPS）は、高電力単相・三相 AC/DC コンバータ、DC/DC コンバータ、バッテリー充電器 / コンディショナー、PFC フロントエンド、インバータを専門としています。これらのソリューションは、産業、医療、エネルギー、航空宇宙、鉄道、軍事 COTS（Commercial Off-The-Shelf）市場向けにテーラーメイドされています。

RPS は最新の設計技術を活用し、競争力のあるコストで高い電力密度と効率を実現しています。包括的な安全認証と EMC 適合性試験（社内事前適合性試験または第三者認証）により、最終製品がすべての法規制および動作基準を満たすことが保証されます。

近年、代替燃料としてのメタノールと水素への世界的な関心が高まっています。様々な産業の移動型および定置型アプリケーション向けに燃料電池ソリューションを専門とするある顧客は、燃料電池からバッテリーを充電するための高効率システムを必要としていました。このシステムは約 7,000W の電力を供給するとともに、入力電流追跡（ICT）、液冷、CAN インターフェース互換性といった追加要件を満たす必要がありました。

電流追跡（ICT）、液冷、CAN インターフェース互換性といった追加要件を満たす必要がありました。顧客の初期の社内ソリューションでは、複数の PCB モジュールを並列動作させていました。機能的には動作しましたが、効率はわずか 92％ であり、不十分でした。さらに、複雑で厳しいレイアウト設計のため、220A の電流を管理しつつ ICT を維持することは大幅な課題でした。これらの課題に対処するため、PCS チームは並列カスケード型オーバーラップバックブーストトポロジーに基づく非絶縁型コンバータである SD7008 を開発しました。この設計により、大幅に変動する入力電圧に対して、入力電圧より低い、同等の、または高い調整可能な出力電圧を提供できます。主な特徴は以下のとおりです。

• 97％ を超える効率： 高度な半導体技術により実現
• 入力電流追跡（ICT）： 顧客の仕様を満たすために完全に統合
• 液冷： 熱管理を強化するために実装
• CAN インターフェース： 最新の通信プロトコルとの互換性を確保するために CAN J1939 規格にアップグレード

この設計では既存のスイッチングトポロジーのコンセプトを活用したため、迅速な開発が可能になると同時に効率を大幅に向上させることができました。液冷システムと更新されたインターフェースは効率的に統合され、プロジェクト期間は 12～14 週間と短く、顧客のスケジュールと目標価格の両方を満たすことができました。

標準外の設計オプションを評価する際には、各カスタマイズレベルの長所と短所を比較検討することが重要です。以下の表は、改変標準製品、セミカスタム設計、フルカスタム設計の主要な考慮事項をまとめたものです。


各カスタマイズレベルはそれぞれ独特なメリットとトレードオフを持っています。改変標準製品は迅速かつコスト効率の良い調整に最適で、セミカスタム設計は特定のニーズに対してより高い柔軟性を提供します。フルカスタムソリューションは複雑さが増すものの、ユニークなアプリケーションに対して最高レベルの柔軟性を提供します。

RECOM は豊富な標準製品ラインナップに加え、フルカスタム、セミカスタム、改変標準製品を含む包括的なカスタマイズオプションを提供しています。中国、台湾、オーストリア、イタリアにあるエンジニアリングチームは、豊富な製品開発ノウハウを活用して、特定の要件に合わせた新しい設計を作成し、大規模な効率的な生産をサポートします。

セミカスタム設計と既存製品の改変は非常に競争力のある価格で提供されています。RECOM は、経済的規模のメリットを享受する自動化生産ラインを活用することで、改変コストを低く抑えています。既存の工具、生産設備、豊富な現場在庫部品を再利用することで、RECOM はコスト効率と迅速な納品を実現しています。

RECOM は、特にイタリアの姉妹会社である PCS（迅速なターンアラウンド、高電力、フルカスタムソリューションを専門とする）を通じて、堅牢なプラットフォーム設計ライブラリを維持しています。これらのプラットフォーム設計は特定のアプリケーションに容易に適合させることができ、多くの場合、大規模な開発や再認証コストを不要にします。

RECOM のカスタマイズおよび改変サービスは、以下を含む幅広い製品に対応しています。

• 低電力から高電力までの AC/DC および DC/DC コンバータ
• バッテリー充電器およびコンディショナー
• AC インバータ
• PFC フロントエンド

これらのソリューションは、産業、医療、エネルギー、航空宇宙、モビリティ、軍事 COTS といった主要産業に貢献しています。完全にカスタマイズされた製品もセミカスタム製品も、顧客の仕様を満たすために必要なすべての安全認証と EMC 認証を取得して納品することができます。

多くのオプションが利用可能ですが、適切なソリューションを判断する最も簡単な方法は、RECOM のエンジニアリングチームにお問い合わせすることです。共に協力し、あなたの独特な要件に最適なソリューションを開発することができます。