最新の配電システムでは通常、絶縁型および非絶縁型の AC/DC および DC/DC 電力コンバータの複雑な組み合わせが必要です。絶縁コンバータは主に、単一または複数の障害が発生した場合にシステムとユーザーを保護するために使用されます。信号の完全性を維持するために、分離されたサブ機能に電力を供給することも必要です。
原理的には、高度な IC を使用すると、約 1000 ワットの電力を備えた低電力から中電力のコンバータを簡単に設計でき、さまざまなアーキテクチャを通じてさまざまな性能のトレードオフを実現できます。ただし、実際には、コンバータの開発と検証は決して簡単ではありません。定格出力電圧と電流、効率、過渡応答、物理的寸法、回路、負荷、電源の障害保護などの機能性能要件の基本セットを少なくとも 1 つ満たす必要があります。
デザインの課題は基本的な知識に限定されません。現時点では、安全性能、さまざまな負荷レベルでの効率、シャットダウン性能、熱性能、電磁干渉 (EMI) 放射、およびイミュニティを含む一連の必須の規制要件に準拠する必要があります。これらの属性は認定試験機関によって検証される必要があるため、設計時間が大幅に長くなります。単純な自主研究開発計画はすぐに非常に高いリスクにつながる可能性があり、自主研究開発と外部委託のどちらを選択するかというと、すぐに後者に傾くことがわかるでしょう。
それでも疑問がある場合は、コンバータには電気絶縁機能も必要であると考えてもよいでしょう。これはほとんどすべての AC/DC コンバータに共通の要件ですが、一部の DC/DC コンバータでは電気的絶縁も必要です。この要件により、新しい規制、必須の安全性および認証基準が導入され、電源の仕様に関係なく、自社開発または外部委託の意思決定がさらに購入に傾きます。
良いニュースは、回路基板に実装された絶縁型および非絶縁型電力コンバータには、複数の定格電圧と電流から選択できることです。これらの製品は、防衛、通信、試験および測定（絶縁型）、移動ロボット（非絶縁型）などのアプリケーション分野での製品設計と展開を大幅に簡素化し、電力分配機能を実現するために組み合わせることができます。
このタイプのコンバータはプラグ アンド プレイを実現し、メインのプリント基板 (PC ボード) に接続でき、特定の位置が配電レールに合わせて最適化されます。さらに、このタイプのコンバータは独立したサポートやブラケットを必要としません。簡単に言うと、このタイプの製品は、電源機能を直接実現する、クローズドで完全なプラグ アンド プレイ ソリューションとして機能します。
電気絶縁の基礎知識
電気的絶縁は、信号または電力経路の両端間に導電性 (「オーミック」) 経路が形成されるのを防ぐために使用される電気的障壁です。ただし、この障壁は、他の伝送手段を介してエネルギーと電気を伝送できるようにする必要があります。信号、電源、またはその両方を絶縁する必要がありますが、それは設計によって異なります。使用される絶縁技術は、絶縁電流の特定の仕様によって異なります。
電気絶縁が必要な理由はたくさんあります。信号の場合、電気絶縁によりセンサーの完全性が向上し、接地ループが排除され、障害発生時にユーザーと回路が保護され、信号経路への電流の流入が防止されます。
電源の主な目的は、ユーザーの安全を確保し、AC 線や高電圧 DC 電源との誤った接触による感電を防止することです。電気的絶縁は、非電力信号に使用される、つまり回路グランドに接続されていない「フローティング」回路の要件も満たします。
一般に、電気絶縁とは、キルヒホッフの電流法則 (KCL) に基づいて電流の方向を決定する方法です。電流の流れにはソースに戻る経路が必要であり、電気的絶縁の機能はこの経路を遮断することです。感電の可能性がある場合、電源内の絶縁トランス (図 1、右) がユーザーを通る完全な障害電流経路を遮断し、グランドに戻ります (図 1、左)。
図 1: 感電を防ぐため、電源内の絶縁トランス (右) は、ユーザーを通過してグランド (左) に戻る故障電流経路を遮断します。 (画像出典: Lumen Learning)
一般的な感電シナリオでは、絶縁層が摩耗すると、通電または加熱された電源コードが機器の金属ケースに直接接触します。デバイスがまだ正常に動作できる場合でも、接地/接地接続が切断されている場合 (これは一般的な状況です)、故障電流は接地線を安全に通過せずにユーザーを通って地面に流れ、このときユーザーは感電する可能性があります。
このリスクを制御するために、電源の絶縁機能により、元の電圧源と機器の間の電流経路が遮断されます。これにより、それらの間で回路が形成されることを防ぎ、回線障害が発生した場合でも感電の危険を排除できます。
リスク電圧には、AC ライン電圧と、マルチコア バッテリ パックの電圧などの同等の DC 電圧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では、実際の状況と電圧の種類に応じて、危険電圧を 60 ボルトを超える電圧として定義しています。
電源絶縁は、ほとんどの場合、変圧器の磁気結合によって実現されます。磁気結合は、優れた電気効率、強力な技術的実用性、柔軟なアプリケーション、高い信頼性、容易なカスタマイズを備えており、規制要件と回路要件を同時に満たすことができます。
数多くの高品質ソリューションが選ばれる理由
最新のシステムでは複数の電源レールが使用されているため、配電計画には多くのアーキテクチャ上の選択肢があります。ただし、回路の特定の部分を絶縁する必要がある一方で、他の部分は絶縁を必要としない、または絶縁を禁止しない場合、適切な電力コンバータの選択は非常に困難になります。
場合によっては、高電圧 AC/DC または DC/DC 電源レールは絶縁を必要としませんが、配電リンクのさらに下流で絶縁を達成する必要があります。設計者が行う必要がある決定には、次のものが含まれます。単一の大容量絶縁電源を使用するか、複数の小容量絶縁電源を使用するか。また、必要な場所でのみ絶縁型電源を使用し、他の場所では非絶縁型電源を使用するかどうかも検討します (図 2)。
図 2: 完全なシステム レベルの分散アーキテクチャには、通常、絶縁型および非絶縁型の AC/DC および DC/DC 電力コンバータの組み合わせが必要です。 （画像出典：TDKラムダ）
これらのニーズを満たすために、TDK Lambda はさまざまなオンボード降圧/昇圧 (バック/ブースト) 絶縁型および非絶縁型 AC/DC および DC/DC パワー コンバータを提供し、複数の入出力定格電圧および定格電流オプションを提供します。具体的には次のものが含まれます。
絶縁型 AC/DC: PFE500F-28/T は、85 ～ 265 ボルトの交流 (VAC) 入力に使用される単一出力の 28 ボルト/18 アンペア (A) コンバータです。このコンバータは、3000 VAC 入力および出力絶縁機能を備えた 122 × 70 × 12.7 mm の完全密閉型ブリック モジュールを採用しており、対流または強制空冷が不可能な環境に適しています。
非絶縁 AC/DC: PF1500B-360 密閉型モジュールもフル ブリック サイズで、AC 入力を 360 VDC 安定化出力に変換できます。絶縁型高電圧DC/DCコンバータや高電圧電源を必要とする負荷を備えた分散電源システムに最適です。入力電圧が 170 ～ 265 VAC の場合、定格電力は 1512 ワットです。入力電圧が 85 ～ 265 VAC の場合、定格電力は 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、サイズがコンパクトで、クォーター ブリックにパッケージされており、優れた性能を備えています。 120 ワットの電力を出力でき、入力および出力絶縁電圧は最大 3000 VDC です。このコンバータの動作入力電圧範囲は 9 V ～ 36 V で、24 A で 5 V の電流を出力できます。機械的なパッケージングにより、底部プレート、密閉、カプセル化などのさまざまな構造構成が提供され (図 3 を参照)、外部のコールド プレートまたはヒート シンクを介した対流および伝導によって冷却できます。
図 3: GQA2W024A050V-007-R コンバータは複数のパッケージ構成オプションを提供し、設計者に全体的なパッケージ設計とコンバータの冷却において高い柔軟性を提供します。 （画像出典：TDKラムダ）
非絶縁 DC/DC: I6A24014A033V-003-R 非絶縁ポイントオブロード (PoL) DC/DC コンバータは、12 VDC または 24 VDC 電源から大電流出力電圧レールを作成するのに最適です。このコンバータの入力電圧範囲は 9 V ～ 40 V、出力電流は最大 14 A、出力レギュレーション範囲は 3.3 V ～ 24 V です。コンパクトな 1/16 ブリック設計にパッケージされています。