電源効率の測定とその重要性

Visualization of the chimney effect
電源の効率は、性能とコスト効率の両方にとって重要であり、エネルギー使用量、動作信頼性、そして長期的な節約に影響を与えます。一般的な電源の耐用年数を5年間と想定すると、効率の低さによって無駄になるエネルギーの費用は、電源の元の価格を上回ります。

一般的に「効率」とは、最小限の時間、労力、エネルギー、またはリソースで、タスクを完了または目標を達成する能力を指します。効率は、入力(時間、労働力、材料など)がどれだけ効果的に出力(結果や製品)に変換されるかを測定します。

電源効率の重要性

電源効率がユーザーにとって重要である理由は主に3つあります。

1) 出力電力と入力電力の差は、(主に熱として)放出される電力です。
  • 効率90%の電源は10%を熱として失います。
  • 効率95%の電源は5%を熱として失い、これは最初の例の半分の発熱量となります。
  • 効率97.5%の電源は2.5%を熱として失い、これは最初の例の4分の1の発熱量となります。

つまり、わずかな効率の差でも、運用に大きな違いをもたらす可能性があるということです。

2) 温度は機器の信頼性に影響を与える最も重要な要因です。
  • これは、物理化学における反応速度の温度依存性を表すアレニウスの関係式によるものです。アレニウスの式は温度が10℃上昇するごとに化学反応が2倍になることを示しています。
  • 化学反応は経年劣化、腐食、電気的ストレスの影響に関与している、高温は早期故障につながります。
  • 低温で動作する電源の方が一般的に長寿命であり、長い動作寿命を確保するには次の3つの方法があります。
    1. コンデンサであれば、85℃定格のコンデンサではなく、105℃定格のコンデンサを使用するなど、より高い温度定格のコンポーネントを使用します。これは、内部温度が60℃程度であれば、より高い定格のコンポーネントの方が余裕が大きく、過剰なストレスがかからないことを意味します。
    2. 放熱された熱をユニットから簡単に逃がせるように、自然対流冷却を可能にするレイアウトを使用します。例えば、RACPRO1シリーズの製品は、煙突効果を利用して受動冷却を補助するため、2つの垂直な空気流路を備えた設計となっています。さらに、熱に敏感な部品(コンデンサなど)は、より高温の部品(トランスやトランジスタなど)の下に配置することで、熱ストレスを軽減しています。
    3. 高効率設計により、そもそもの廃熱の発生を防ぎます。

3) ランニングコストを削減するためには、高効率は重要です。
  • 効率94%の1kW電源の場合、年間の損失電力は365 × 24 × 6% = 526kWhとなります。
  • 効率96%の1kW電源の場合、年間の損失電力は365 × 24 × 4% = 350kWhとなります。

効率の差はわずか2%ですが、効率96%の電源の電力消費量は、効率94%の電源と比べて30%も少なくなります。さらに、一般的な電源の耐用年数を5年間と想定すると、効率の低さによって無駄になるエネルギーの費用は、電源の元の価格を容易に上回ります。

電源効率の測定

DC/DCコンバータとAC/DCコンバータの効率を測定する際には、考慮する事項が異なります。以下に効率の計算式と、これらの違いの概要を示します。

電源効率の計算式

電源における効率とは、入力電力(電源から)を熱やその他の形態での損失なく出力電力(負荷装置用)にいかに効率的に変換できるかを指します。電源効率の計算式を百分率で表すと以下のようになります。

効率(%)=(出力電力 / 入力電力)× 100%

例えば、電源が電気源から100ワットを引き出しているにもかかわらず、負荷装置に90ワットしか供給していない場合、効率は(90W / 100W)× 100% = 90%となります。

AC/DCコンバータの効率測定

RACPRO1-T960/24の効率曲線
図1:RACPRO1-T960/24の効率曲線
AC/DCコンバータの効率測定は、電圧と電流の位相角(力率)を補正しながら、コンバータに供給される実際の(有効)AC電力を正確に測定するために電力アナライザが必要となるため、困難です。また、力率補正(PFC)のないAC/DCコンバータでは、高調波が測定に影響を与えます。ほとんどの電力アナライザは、第39次高調波まで測定します(IEC EN 61000-3-2規格で定義されています)。しかし、本当に正確な測定値を得るためには、第99次高調波まで測定し、長時間(数分間)の平均を取る必要があります。これは特に、低消費電力スタンバイ技術(パルススキッピングなど)を使用する最新のコントローラICの場合に重要です。

効率測定は、すべての異なる動作条件(低電圧から高電圧、低負荷から全負荷)で実施する必要があります。無負荷時の効率は常に0%です。これは、コンバータが動作時に出力電力を供給していない状態(ゼロ負荷電流)でも、スイッチング回路を動作させるために少量の「ハウスキーピング」電力を消費するためです。これは、電源の一般的な効率曲線が無負荷時に効率ゼロとなることを意味します。

優れた電源設計は、約10%負荷から全負荷までフラットな効率曲線を示します。また、最大効率は通常高負荷時に得られますが、優れた設計では、50%以下の負荷でも効率の低下はわずかとなります。また、効率曲線は供給電圧にあまり依存すべきではありません。ただし、AC電圧が低下すると入力電流が上昇し、これにより追加でI²R損失が発生します。RACPRO1シリーズの効率曲線は非常に優れています。効率がすべての負荷条件において供給電圧に依存しないだけでなく、ピーク効率の96%が30%の負荷で達成され、100%の負荷まで一定に保たれるため、一般的な産業用負荷条件をすべてカバーしています。

最後に、待機電力消費も重要です。第一に、ユニットが待機モードで長時間使用される場合の電気代節約のため、第二にEUおよび米国の電力消費に関する環境目標と法規制を満たすためです。RACPRO1-T960/24は、負荷が突然1150W以上を必要とする場合でも対応可能ですが、待機時の消費電力はわずか約2Wとなっています。

高性能RACPRO1 DINレール電源

最も要求の厳しい産業用アプリケーションに対応するため、当社は最近、RACPRO1 DINレール電源ファミリーを発表しました。RACPRO1-T240, -T480, -T960は、それぞれ240ワット、480ワット、960ワットを供給します(図1)。

RACPRO1ファミリー:T240(左)、T480(中央)、T960(右)

図2:RACPRO1ファミリー:T240(左)、T480(中央)、T960(右)

このファミリーの製品は、このクラスの電源としては業界トップクラスの効率を実現しており、力率補正(PFC)> 0.9 を特長としています。これらの電源の効率は、94.1%(RACPRO1-T240)、95.3%(RACPRO1-T480)、97.1%(RACPRO1-T960)となっています。

追加リソース

RECOM AC/DC、DC/DC、EMC 知識の本 には、経験と知見が広範に収録されており、AC/DC電源設計を成功させるために必要な情報が提供されています。第12章では、ハウスキーピング電力消費を低減するための方法と測定技術について説明しています。

また、RECOMのAC/DC電源のエネルギー効率:基本事項のクイックガイドブログでは、エコデザイン規制に関する役に立つ情報を提供しています。エコデザイン規制とは、製品がライフサイクル全体を通じて環境への影響を最小限に抑えるように設計されていることを保証するために、政府または規制機関が定めた一連の基準およびガイドラインです。これらの規制は、主にエネルギー効率の向上と、廃棄物、排出物、資源消費を削減することによるサステナビリティの促進に焦点を当てています。

RACPRO1のウェブページでは、この画期的な新しいDINレールマウント電源ファミリーについての詳細情報をご覧いただけます。
アプリケーション
  Series
1 AC/DC, 240 W, Single Output, DIN-Rail RACPRO1-T240 Series
Focus New
  • Slim Design (43mm) with 25° Push-In connectors
  • Fast tool-less mounting and demounting
  • Active Inrush Current Limitation
  • 2-phase AC operation 2x350V to 2x575V
2 AC/DC, 480 W, Single Output, DIN-Rail RACPRO1-T480 Series
Focus New
  • 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
3 AC/DC, 960 W, Single Output, DIN-Rail RACPRO1-T960 Series
Focus New
  • 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