高出力スイッチング電源（SMPS）：アプリケーションと設計

ハーフブリッジトポロジーは、フォワードコンバーター設計をベースとしており、高出力レベルにスケーラブルです。230V AC 及び力率補正（PFC）アプリケーションにおいて、部品点数が少なくコスト効率が良いという利点がありますが、制限も存在します。スイッチサイクル間に貫通電流を防ぐためのデッドタイムが必要であり、これによりデューティサイクルが約 45% に制限されます。さらに、この設計のトランスは、1 サイクルあたり入力電圧の半分しか受け取らないため、サイズが大きくなります。

フルブリッジコンバーターは、4 つのスイッチを使用してトランスの 1 次側が各サイクルで全入力電圧を受け取れるようにすることで、ハーフブリッジ設計の制限を克服しています。タイミング回路はより複雑で、2 つの絶縁型ハイサイドドライバーが必要ですが、この設計によりほぼ 50% のデューティサイクルを実現し、効率を向上させスイッチング損失を低減させます。高出力アプリケーションでは、追加される部品のコストは比較的わずかです。

共振型 LLC コンバーターは、通常 90% 台後半の高効率を達成できるため、高出力アプリケーションで人気があります。このトポロジーは、無負荷条件下でもゼロ電圧スイッチング（ZVS）によってスイッチング損失を最小限に抑えます。EV 高速充電器のように入力電圧範囲が広いアプリケーションでは、効率と性能が重要となるため、このトポロジーは特に適しています。ただし、複雑さとコストが増加するというデメリットも存在します。


双方向 EV 充電には、異なるアプローチが必要です。一方向式車載充電器（OBC）は通常 LLC 共振型コンバーターを使用しますが、この設計は一方向動作に限定されています。双方向充電の場合、DC-DC 段には CLLC 共振型コンバーターが好まれます。このトポロジーは高効率と広い出力電圧範囲を提供し、充電モードと放電モードの両方を可能にするため、高度な EV アプリケーションに理想的です。トポロジーの選択は、アプリケーションの特定の性能及びコスト要件に依存します。RECOM の AC/DC 及び DC/DC「知識ブック」では、これらのトポロジーとその最適な使用事例に関する詳細な情報を提供しています。

低出力 AC/DC 設計では、単純なダイオードブリッジ整流器に依存できることが多いです。しかし、高出力設計では、電磁両立性（EMC）規制を遵守するために、力率補正（PFC）入力段が必要です。PFC 段は、DC/DC 段と統合されて単一ユニットとして実装することも、モジュラー設計におけるスタンドアロンのフロントエンドとして実装することもできます。

高出力 AC/DC コンバーターの場合、三相 PFC トポロジー（例：ヴィエナ整流器（図 5））は大きな利点を提供します。このアクティブ 3 レベルトポロジーは、容量性分圧器を使用して供給電圧を半分にすることで、トランジスタの高スイッチング電圧ストレスを低減します。入力ダイオードの一部又は全部を同期スイッチングトランジスタで置き換えることで、効率をさらに向上させることができます。AC/DC コンバーター設計の詳細については、前述の RECOM の AC/DC 及び DC/DC「知識ブック」を参照してください。

AC/DC システムに関わらず、DC/DC システムに関わらず、電源設計において動作温度は重要な考慮事項です。温度は半導体の信頼性に大きな影響を及ぼし、温度が 10°C 上昇するごとに故障率が 2 倍になるとされています。したがって、余分な熱を管理し放散することは、設計者にとって最優先事項の一つです。現代の高出力システムは通常 90% を超える高効率を実現していますが、それでも効果的な熱管理は不可欠です。

冷却技術

AC/DC 及び DC/DC 電源に使用される最も一般的な冷却方法には、伝導冷却、対流冷却、強制空冷、液体冷却があります。それぞれの方法は、温度管理とシステム効率の向上に関して独自の利点を提供します。

• 伝導冷却：この方法は、高温の部品から低温の表面へ直接接触によって熱を伝達します。多くの DC/DC コンバーターには、外部ヒートシンクやコールドプレートに直接取り付けるための平面が設計されており、これにより熱を効率的に放散します。
• 対流冷却：デバイスを取り囲み接触する自然な気流（低密度流体）を利用して熱を除去します。周囲空気の温度が規定の制限内でデバイスの温度より低い場合、対流冷却は効果的です。多くの電源デバイスは、このような条件下で自然対流冷却に対応するよう定格が設定されています。
• 強制空冷：ファンを使用して電源の上又は筐体内の空気を循環させます。この技術は、熱放散を強化することで、より高い電力密度を実現できます。強制空冷が必要な電源は、定格出力を維持するための最小風量を通常規定しています。
• 液体冷却：液体冷却システムは、流体を循環させて熱を放散します。この方法は、ファンが不要で騒音が最小限であるため、より高い電力密度を実現できます。液体冷却の主な利点は、大型の内部ヒートシンクに依存することなく、特定のホットスポットを対象として冷却できる点です。

高出力システムではコストと複雑さよりも効率が優先されるため、この分野で多くの技術革新が起こっています。ワイドバンドギャップ半導体、特にシリコンカーバイド（SiC）と窒化ガリウム（GaN）は、これらのアプリケーションにおいて、従来のシリコンベースデバイス（Si MOSFET や IGBT）に取って代わる傾向にあります。これらの中で、SiC はより成熟した技術であり、高臨界電界、高速電子速度、高熱伝導率、300°C の融点といった独特の特性のために広く採用されています。これらの特性により、SiC デバイスは低いオン抵抗（R (DS) on）を実現し、スイッチング損失と伝導損失を低減することができるため、大電流アプリケーションに理想的です。

DC/DC 設計におけるシリコンカーバイドの利点

DC/DC コンバーターにおいて、SiC デバイスはより高いスイッチング速度で動作し、より高い電力密度と小型の磁性部品を実現できます。その優れた効率によりスイッチング損失が最小限に抑えられ、高い耐熱性により熱管理が簡素化され、開発時間とコストが削減されます。

AC/DC 設計におけるシリコンカーバイドの利点

AC/DC コンバーターにおいて、SiC 技術は従来の PFC ブーストトポロジーを、より効率的なトーテムポール PFC アーキテクチャに置き換えています。電力を浪費するダイオードブリッジを排除することで、より高いスイッチング周波数を実現し、伝導経路を 2 つの半導体デバイスに限定することで効率を向上させます。Si MOSFET のボディダイオードの制限により、トーテムポール PFC は従来、低出力設計では不連続モード動作（DCM）に限定されていましたが、SiC MOSFET により連続導通モード（CCM）動作が可能になりました。この進歩により、より高い効率、より低い EMI（電磁干渉）、より高い電力密度が実現されます。

SiC MOSFET vs IGBT：比較

SiC MOSFET は IGBT に比べても大幅な利点を提供します。IGBT にはボディダイオードがないため、超高速フリーホイーリングダイオードが必要ですが、最大スイッチング周波数は約 20kHz に制限されています。この制限により、SiC ベースの設計に比べて、磁性部品や受動部品が大型化・重量化します。一方、SiC デバイスはより高いスイッチング周波数とより優れた全体効率を実現するため、高出力アプリケーションにおいて優れた選択肢となります。

RECOM のモジュラー型 REM シリーズ及び RACM シリーズコンバーターは、設計期間の短縮、認証プロセスの簡素化、市場投入時間の短縮を実現する、完全に規格を遵守したソリューションを提供します。これらの医療用 DC/DC 及び AC/DC 電源は以下の特徴を備えています：

• 2MOPPを備えた強化絶縁
• 低リーク電流（BF 及び CF 定格）
• 8mm を超える沿面距離及び空間距離

これらの特徴により、機能的絶縁を超えた追加の保護層を提供し、厳しい ES/IEC/EN 60601-1 第 3 版医療安全規格を遵守することが保証されます。

RECOM は、25,000 を超える標準製品を擁する、産業用電源の最も充実した製品ラインナップの一つを提供しています。これらのコスト効率が良く、安全認証を取得し、EMC 認証を受けたソリューションは、最大 10kW の電力レベルをカバーし、1kV DC～5kV AC の絶縁定格を提供します。様々なフォームファクタで提供される RECOM の産業用電源は、多様な産業環境の要求に応えるよう設計されています。

鉄道システム向けに、RECOM は鉄道規格を遵守した堅牢なソリューションを提供しています。主な製品としては以下のものが挙げられます：

• アクティブ力率補正を備えた三相 AC 入力バッテリー充電器（例：RMOC3200 シリーズ、RMOC5000 シリーズ）。最大 20kW までのカスケード構成をサポート
• 最大 800V の DC 入力能力を持つ RMOC3200 シリーズ
• 24Vnom～110Vnom（36Vnom、48Vnom、72Vnom、96Vnom などの中間値を含む）の出力オプション

さらに、RECOM は車載及び線路沿いの両方の鉄道用途向けに、DC/DC 及び DC/AC 電源を提供しています。

RECOM の EV 製品ラインナップには、ハイサイドゲートドライバー向けの絶縁型 DC/DC コンバーターと、OVCIII 定格の補助電源 AC/DC コンバーターが幅広く含まれています。RECOM Power Systems（RPS）は、これらの機能を拡張し、以下のような完全カスタムソリューションを提供しています：

• モバイル及び定置用途向けのバッテリー充電器、バランサー、コンディショナー
• 最大 20kW 以上にカスタマイズ可能な出力を持つ単相又は三相入力構成
• エネルギー回収アプリケーション向けの双方向設計

すべての製品には、信頼性の高い性能を保証するための総合的な保護機能、監視機能、インテリジェント制御インターフェースが搭載されています。

RECOM は、優れた仕様対コスト比と市場投入時間の短縮を実現するため、プラットフォームベースの設計を開発しています。これらのプラットフォームは、顧客の独自のニーズに迅速に対応するよう変更でき、コスト効率が良くカスタマイズされたソリューションを保証します。プラットフォームの主な特徴は以下の通りです：

• DC 出力オプション：12V DC、24V DC、36V DC、48V DC、110V DC、500V DC、又はご要望に応じたカスタム電圧
• 高効率とコンパクトなフォームファクタ
• n+1 冗長性を備えたカスケード可能な電力機能
• 標準設計、変更標準設計、完全カスタム設計のオプション
• デジタル制御及び監視インターフェース（例：PM-Bus）

RECOM は、最大 4kW の定格を持つモジュラー型高出力 PFC 段も提供しています。これらの PFC フロントエンドは 0.95 を超える力率と 92% の典型的な効率を実現するため、過酷なアプリケーションに理想的です。