冗長ダイオードモジュール: デカップリングによる信頼性の高い電力供給

RECOM DIN rail power supply for solar and wind energy systems
冗長ダイオードモジュールは、産業用オートメーション、制御盤、通信機器、その他の重要なアプリケーションにおいて、DC電源システムの信頼性を向上させるために使用されます。 主な機能は、2台以上(N+1)の電源出力を並列接続し、電源間の電流の逆流を防ぎながら、障害に対する冗長性や電力共有を提供することです。 主な用途には、PLCシステム、プロセス制御、機械オートメーション、安全関連制御回路、通信機器、および24Vまたは48V DCの産業用配電などがあります。 予期せぬダウンタイムが大きな損害をもたらす、あるいは許容されないようなあらゆる環境において、冗長ダイオードモジュールはシステムの電源可用性を確実に維持します。

動作原理

RACPRO1-RD40冗長ダイオードモジュールのブロック図
図1:RACPRO1-RD40のブロック図
動作原理はシンプルです。各電源は一方向デカップリング素子を介して負荷に接続されます。
冗長ダイオードモジュールは、主に次の2つの機能を果たします。

  1. 障害の分離と逆電流保護: いずれかの電源またはその上流の電源が故障した場合、冗長モジュールは故障したユニットへの逆電流を遮断し、もう一方の電源が引き続き負荷に電力を供給します(図1)。 これにより完全なORing冗長性が実現します。1つの電源が出力短絡により故障した場合でも、負荷への電力供給は維持されます。

  2. 電流の統合と電力共有: 2つ以上(N+1)の電源の出力を結合して全体の利用可能な出力電流を増加させると同時に、ある電源から別の電源へ電流が逆流するリスクを排除します。

システム設計の推奨事項

冗長ダイオードモジュールは、適切に設計された電源アーキテクチャの一部として使用した場合に最も効果を発揮します。 電源は個別に保護し、適切な容量を選定するとともに、可能であれば独立したサーキットブレーカーを介して、それぞれ別の上流回路から給電する必要があります。これにより、上流側で1か所の障害が発生しても、DC電源システム全体が停止することを防止できます。

つまり、冗長ダイオードモジュールは、フォールトトレラントなDC電源システムを構築するための、コンパクトで信頼性の高い方法を提供します。これらは逆電流から電源を保護し、故障したユニットを切り離し、1つの電源パスが失われた場合でも重要な負荷の稼働を維持します。以下の例は、一般的なフォールトトレラント構成を示しています(ただし、これらがすべてではありません)。

冗長DC電源構成

例1: 完全冗長電源

これは、2つの独立した電源出力を組み合わせて高度なフォールトトレラント性を持つDC電源を構築する、典型的な冗長電源構成です。
RACPRO1-RD40モジュールを使用した完全冗長電源の配線図
障害の種類 発生可能性 結果
障害なし 100%最大負荷(960W)
サーキットブレーカー#1または#2の誤トリップ 1 変化なし
欠相 2 変化なし(3相中2相でフルパワー)
PSU1またはPSU2のDC出力配線の緩み 3 変化なし
PSU1またはPSU2のシャットダウン(OTP) 4 変化なし
PSU1またはPSU2の出力開放故障 5 変化なし
PSU1またはPSU2の出力短絡故障 6 変化なし

例2: カレントシェアリング電源

この例では、2台の同一の電源の出力を組み合わせて、出力電流を2倍にします。
RACPRO1-RD40を使用したカレントシェアリング電源の配線図
障害の種類 発生可能性 結果
結果 200%最大負荷(960W)
サーキットブレーカー#1または#2の誤トリップ 1 100%最大負荷(480W)
欠相 2 変化なし(3相中2相でフルパワー)
PSU1またはPSU2のDC出力配線の緩み 3 100%最大負荷
PSU1またはPSU2のシャットダウン(OTP) 4 100%最大負荷
PSU1またはPSU2の出力開放故障 5 100%最大負荷
PSU1またはPSU2の出力短絡故障 6 100%最大負荷

例3: 高電圧DCバックアップ電源

この例では、無停電の低電圧DC電源出力を生成するために、高電圧DCバックアップ電源(この場合は、24Vバッテリーバンク)を組み込む方法を示しています。
RACPRO1-RD40モジュールを使用した高電圧DCバックアップ電源の配線図
障害の種類 発生可能性 結果
障害なし 100%負荷(480W)
サーキットブレーカー#1または#2の誤トリップ 1 変化なし(代替電源への自動切り替え)
AC欠相 2 変化なし(バックアップ高電圧DC電源への自動切り替え)
高電圧DCのドロップアウト 3 変化なし(AC駆動)
PSU1またはPSU2のシャットダウン(OTP) 4 変化なし
ACまたは高電圧DC入力配線の緩み 5 変化なし
PSU1またはPSU2のDC出力配線の緩み 6 変化なし
PSU1またはPSU2の出力開放故障 7 変化なし
PSU1またはPSU2の出力短絡故障 8 変化なし

例4: AC相冗長

この例では、3つの単相電源が、それぞれ3相電源の個別の相から給電される構成を示しています。 少なくとも1つの相が有効である限り、DC電源供給は保証されます。
カスケード接続されたRACPRO1-RD40モジュールを使用したAC相冗長の配線図
障害の種類 発生可能性 結果
障害なし 100%負荷(240W)
サーキットブレーカー#1、#2または#3の誤トリップ 1 変化なし
3相中1相のAC欠相 2 変化なし(残りの2相から給電)/td>
3相中2相のAC欠相 3 変化なし(残りの相から給電)
PSU1、PSU2、またはPSU3がシャットダウン(OTP)/td> 4 変化なし
L1、L2、またはL3入力配線の緩み 5 変化なし
PSU1、PSU2、またはPSU3のDC出力配線の緩み 6 変化なし
PSU1、PSU2、またはPSU3の出力開放故障 7 変化なし
PSU1、PSU2、またはPSU3の出力短絡故障 8 変化なし

例5: フォールトトレラントバッテリー充電器

この例は、2相AC電源を使用して大容量バッテリーを急速充電する構成を示しています。 RACPRO1-S480/24電源は定電流モードに切り替えられ、全体の最大出力電流を40Aに厳密に制限します。 これにより、バッテリーセルが十分に予備充電されるまで初期充電電流を制限し、その後フル急速充電電流をオンにするだけで済むため、PWM充電コントローラの設計が簡素化されます。 商用電源のいずれかの相またはいずれかのPSUに障害が発生した場合でも充電は継続しますが、20Aに制限されます。 RACPRO1-RD40は70VDCの還流電圧耐性も備えており、バッテリのロードダンプ過渡電圧やサージからAC/DC電源を効果的に保護します。
RACPRO1-RD40を使用したフォールトトレラントバッテリー充電器の配線図

例6: 垂直設置

大部分の電気キャビネットはレールが水平に取り付けられており、多くのDINレールマウント電源は、標準の垂直方向に設置した場合にのみ適切な自然対流冷却ができるよう設計されています。

RACPRO1シリーズは例外であり、標準以外の向きでもわずか15%のディレーティングで取り付けることができます。垂直方向に配置されたレールに水平に取り付ける場合でも同様です。 また、競合他社製品よりも大幅に幅が狭く、レール上の占有スペースを削減します。これらの特長は、通信マスト、照明柱、広告塔、小型風力発電機、タワークレーンなどに使用される、高さがあり幅の狭いキャビネットにおいて特に有用です。

まとめ

堅牢でフォールトトレラントなDC電源アーキテクチャの構築に、複雑なエンジニアリングや過大なキャビネットスペースが必要とは限りません。RACPRO1-RD40のようなアクティブ整流方式の冗長モジュールを導入することで、設計エンジニアは単一障害点を排除し、最適な電力効率を維持して、重要な産業用途の稼働時間を最大限に確保できます。

よくあるご質問

いいえ。RACPRO1-RD40は9~56VDCの広いDC入力範囲を備えているため、12V、24V、36V、または48VのDCシステムはすべてまったく同じモジュールを使用できます。
RACPRO1-RD40は、AC/DC電源に比べて内部コンポーネントが大幅に少ないため、本質的に信頼性が高くなっています。 期待動作寿命は40℃で268,000時間です(連続稼働で30年以上)。
RACPRO1-RD40は全負荷(40A)時に99.5%の効率で動作するため、モジュール全体での電力損失は無視できるレベルです。
RACPRO1-RD40の24V電源供給時の無負荷消費電力はわずか200mWであり、0%から100%の負荷範囲全体にわたって損失を極めて低く維持します。
RACPRO1-RD40は、従来のパワーダイオードではなくアクティブ整流器を使用しており、挿入損失を最小限の140mVに抑えています。
いいえ。RACPRO1-RD40は最大5秒間、最大60Aまで処理できるため、高い突入電流も問題なく通過させることができます。
いいえ。入力側のAC/DC電源にはすでに短絡保護機能が備わっているため、この機能は不要です。 冗長モジュール内に中間的な短絡保護(SCP)機能を追加すると、電源自体のSCPメカニズムの正常な動作を妨げることになります。
いいえ。RACPRO1-RD40はEN 61000-6-4 Class BエミッションおよびEN 61000-6-2 Class Bイミュニティの両方で認証を取得しており、システム全体のEMC性能を損なうことはありません。
アプリケーション
  シリーズ
1 RECOM | RACPRO1-RD Series | AC/DC, DIN-Rail, Single Output
Focus New
  • スリムデザイン(幅 43mm)に 25° プッシュインコネクタ搭載
  • 迅速な工具不要型取り付け
  • 取り外しに対応・広範囲 DC 入力電圧(9V~56V)に対応
  • 12V、24V、48V 電源との連携運転が可能
2 RECOM | RACPRO1-S240 Series | AC/DC, DIN-Rail, 240W, Single Output
Focus New
  • スリムデザイン(幅 39mm)に 25° プッシュインコネクタ搭載
  • 力率補正機能搭載(力率>0.95)
  • 入力突入電流アクティブ制限機能
  • DC 入力電圧範囲 88-370VDC
3 RECOM | RACPRO1-S480 Series | AC/DC, DIN-Rail, 480W, Single Output
Focus New
  • スリムデザイン(幅 52mm)に 25° プッシュインコネクタ搭載
  • 力率補正機能搭載(力率 0.95)
  • 入力突入電流アクティブ制限機能
  • DC 入力電圧範囲 88-370VDC
4 RECOM | RACPRO1-T480 Series | AC/DC, DIN-Rail, 480W, Single Output
Focus
  • Slim Design (52mm) with 25° Push-In connectors
  • Fast tool-less mounting and demounting
  • PFC >0.9 and Active Inrush Current Limitation
  • DC-Input Range 430V to 815V/850V 10s
5 RECOM | RACPRO1-T960 Series | AC/DC, DIN-Rail, 960W, Single Output
Focus
  • Slim Design (80mm) with 25° Push-In connectors
  • Fast tool-less mounting and demounting
  • PFC >0.9 and Active Inrush Current Limitation
  • DC-Input Range 430V to 815V/850V 10s