産業用オートメーションにおける電源のディレーティング

2026/08/21
明るく近代的な工場環境の自動組立ラインに設置された黄色の産業用ロボットアーム
電源のディレーティングが必要となる要因と、ディレーティングによって産業用電源の信頼性向上やMTBFの延長がどのように実現されるかを解説します。

目次

はじめに：産業用電源におけるディレーティング

電源には、通常の動作条件下で供給できる最大定格電力がワット数で規定されています。 例えば、電源は「480W電源」または「15W DC/DCコンバータ」として記載される場合があります。 ただし、この電力定格は動作条件に依存します。 高温または低温の周囲温度、低い入力電圧、高い動作高度といった外部要因により、供給可能な連続最大電力が低下する場合があります。

これに対応するためには、電源の負荷を下げる必要があり、この手法はディレーティングと呼ばれます。 ディレーティングは、内部電力損失を減らして発熱を抑え、製品の想定寿命全体を通じて高い信頼性を維持することで、信頼できる動作と長寿命を実現します。業界標準のガイドラインでは、周囲温度が10℃上昇するごとに、耐用年数が半減するとされています。

仕様と影響

通常、電源メーカーはディレーティングをグラフまたは計算式で指定します。RECOMは、温度ベースおよび入力電圧ベースのディレーティング曲線に加えて、高度の上昇に伴って増加するディレーティング率を示しています。さらに、必要に応じて絶対負荷制限が適用される場合もあります。
周囲温度に対する最大出力電力を示すRECOM RP15-Aの熱ディレーティング曲線グラフ
図1：周囲温度に対する最大定格電力を示す標準的なディレーティング曲線。（RP15-AシリーズDC/DC電源より）
温度ディレーティング曲線は、周囲温度をX軸に、出力電力をY軸にとっています。周囲温度に応じて出力電力を低減し、電源の過熱を防ぐ必要がある場合にディレーティングが必要となります。 表1は、異なる負荷と温度におけるディレーティングが電源の予測寿命に与える影響を示しています。

Ambient Temperature 50% Load 75% Load 100% Load
+20°C 1044 x 10³h. 923 x 10³h 392 x 10³h
+30°C 522 x 10³h 462 x 10³h 196 x 10³h
+40°C 261 x 10³h 231 x 10³h 98 x 10³h
表1：ディレーティングが電源の寿命の信頼性に与える影響

設計上のヘッドルーム（余裕）に関する誤解

通常、電源の仕様には、より大きな負荷の突入電流や、入力のサージ電圧および過渡電圧を許容するために、一定のヘッドルームが設けられています。しかし、電源を選択する際、絶対最大定格（abs. max.）の値を通常運転の基準として使用すべきではありません。このヘッドルームは、設計の堅牢性や短時間の異常事象への耐性を示すものです。これらの最大値は、長時間にわたって使用できる電力性能データを示すものではありません。
さまざまなDC入力電圧における出力負荷と周囲温度の関係を示すRECOM R-78Kのディレーティング曲線グラフ
図2：負荷および周囲温度とともに入力電圧が示されたディレーティング曲線。（R-78K1.8-1.0、R78K2.5-1.0）

ディレーティング曲線の検索と解釈

RECOMでは、産業オートメーション向け電源のディレーティング曲線を、製品データシートの末尾付近に記載しています。他のメーカーでは、アプリケーションノートや別冊の参考資料に掲載されている場合があります。

図2は、広入力電圧スイッチングレギュレータ（R-78Kシリーズ）のさまざまな電源入力電圧に対する異なるディレーティング曲線を示しています。スイッチングレギュレータは入力電圧の上昇に伴って効率が低下するため、各部品はより早く負荷限界に達します。 その結果、低い入力電圧の場合よりも早い段階でディレーティングが開始されます。

この場合、入力電圧5Vと出力電圧2.5Vの組み合わせでは電力損失が小さいため、コンバータには実質的に熱ストレスがかからず、周囲温度85℃までフルパワーを供給できます。ただし、同じ負荷に入力電圧36Vを供給する場合は、65℃という早い段階からディレーティングを開始する必要があります。

RECOMは製品データシートで信頼性データを公開しています。スイッチングレギュレータのR-78K-1.0シリーズ用データシート（図2に表示）には、+25℃におけるMIL-HDBK-217Fに基づくMTBFが5139×10³時間であることが記載されています（R-78K2.5-1.0からR-78K15-1.0のバリエーションでは4990 x 10³から4546 x 10³時間）。

電源用途における複数要因によるディレーティング

内部の熱放散はディレーティングの主な考慮事項ですが、それが唯一の要因ではありません。空気が薄くなることによって冷却性能が低下するため、動作高度も重要な要因となります。入力電圧の上昇と高高度での電源使用が組み合わさると、熱的余裕がさらに減少し、ディレーティング曲線の傾きが大きくなります。

主な環境および電気的なディレーティングの要因

  • 周囲温度
  • 動作高度
  • 入力電圧（電圧レベル、およびACかDCか）
  • 負荷の種類（容量性、誘導性、または動的負荷か抵抗負荷か）
  • 換気

高度によるディレーティングは、グラフまたはテキストの形で提供されます。 例えば、RECOMはR-78K-1.0シリーズのスイッチングレギュレータのデータシートにある「環境条件」セクションで、最大動作高度を5,000メートルと規定しています。 さらに同資料では、ディレーティングが高度2,000メートルから開始されることが規定されています。 2,000メートルから5,000メートルの間では、高度が1,000メートル上がるごとに電源の最大供給電力を5%ディレーティングします。高度によるディレーティングは温度によるディレーティングに加算されます。
60秒サイクルにおける出力電流のパーセンテージと継続時間を示すRECOM RACPRO1-T480のピーク負荷グラフ
図3：RACPRO1-T480 DINレール電源のピーク負荷継続時間とサイクルタイムのグラフ。表示されているパーセンテージはディレーティング後のものです。

ディレーティングとピーク電力

モータードライバーやバッテリー充電回路など、容量性成分の大きい負荷では、起動時に高いサージ状の突入電流を必要とします。これらのサージは、数ミリ秒から数十ミリ秒の間、定常電流の10倍から50倍に達することがあります。電源には、過電流保護に入ることなくこれらの突入電流に対応できる能力と、短絡発生時には適切に保護動作を行える能力の両方が求められます。

上のグラフは、RECOMのDINレール電源（RACPRO1-T480シリーズ)の出力過電流対応能力を示しています。100%負荷であれば連続動作が可能です。この状態の継続時間が7.5秒を超えず、かつ60秒間に1回を超えて発生しない限り、定格電流の最大150%まで許容されます。出力が短絡した場合、出力側のヒューズを確実にトリップさせるため、電源は20ミリ秒にわたり定格電流の最大250%を供給します。

換気およびヒートシンク

大半の産業用電源は密閉されたキャビネット内で動作しますが、その環境には強制換気がある場合とない場合があります。 強制空冷は粉塵が蓄積するリスクを高め、その放熱効果は一般に考えられているほど高くはありません。
このディレーティンググラフは、異なる風量における出力電力と温度の関係を示しています
図4：風量を要因として含み、風量が出力電力能力に及ぼすプラスの効果とその限界を示したディレーティング曲線（RECOM DC/DC知識の本）
図4は、代表的なディレーティング曲線と冷却気流の影響を示しています。気流がない場合、ディレーティングは約67℃から開始する必要があります。100リニアフィート/分（LFM）のアクティブ冷却を行うと、ディレーティング開始温度は約85℃に上昇します。風量をそれ以上増やしても効果は限定的です。 500 LFMでは、ディレーティング開始温度は約95℃に上昇します。

ディレーティングの実用上の限界

ディレーティングには限界があります。 ディレーティングの程度にかかわらず、一定の温度を超えると安全な動作を保証できなくなります。 一般的に、電源は負荷がゼロに近づくにつれて効率が低下します。この要因と周囲温度に伴うリスクが組み合わさることで、高温および高高度で電力を低減しても、その効果が限定的になる、あるいはまったく得られなくなる点に達します。

AC/DC電源とDC/DC電源のディレーティングの違いとは？

主な違いは、AC/DCのディレーティングでは、フロントエンドの整流、力率改善（PFC）、より幅広い入力電圧変動に起因する追加の熱的および電気的ストレスを考慮する必要があるのに対し、DC/DCのディレーティングは主に局所的な熱管理と動作高度に焦点が当てられる点です。

AC/DCコンバータは、DC/DCコンバータと同じ基本的な考慮事項の影響を受けます。ただし、AC誘導負荷は、高負荷時の遅れ力率（電流と電圧の位相のずれ）および負荷遮断時の逆起電力という固有のリスクが伴います。これらはいずれも電源を動作限界以上の状態へ追い込む可能性があります。RECOMのAC/DC電源は、高い突入電流耐量と高い逆電圧耐性を備えることで、こうしたAC負荷特有の課題に対応しています。

まとめおよび追加資料

産業用オートメーションシステムを構築する際、電源のディレーティングは重要な考慮事項です。ディレーティングにより、設置されたシステムのライフサイクル全体にわたって、電源が十分な電力を確実に供給できるようになります。これにより、過酷な環境条件や動作条件によって電源の寿命が著しく低下するのを防ぎ、早期故障による電源供給停止のリスクを軽減します。ディレーティング曲線や計算式は、電源やコンポーネントを適切に選択するために必要な情報を提供します。

RECOMのライブラリやブログには、電源の実装や設計に関する技術情報が豊富に用意されています。The RECOM AC/DC、DC/DCおよびEMC知識の本シリーズでは、電源および電力コンバータについて包括的に解説しています。
アプリケーション
  Series
1 RECOM | R-78K-1.0 Series | DC/DC, THT, Single Output
Focus
  • Efficiency up to 95%, no need for heatsinks
  • 4.5 - 36VDC wide input voltage
  • -40°C to +90°C ambient operation without derating
  • Pin compatible with 78 series regulators
2 RECOM | RACPRO1-S120 Series | AC/DC, DIN-Rail, 120W, Single Output
Focus New
  • 市場で最もコンパクトな 120W DIN レールマウント電源装置
  • 最高電力密度 500W / リットルまで・スリムデザイン（幅 28mm）に 25° プッシュインコネクタ搭載
  • DC 入力電圧範囲 88-370VDC
  • 最高効率 93.3% まで
3 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
4 RECOM | RP15-A Series | DC/DC, THT, 15W
  • 2:1 input voltage range
  • 1.6kVDC isolation
  • UL certified
  • Efficiency up to 89%