産業用自動化のためのDC / DCコンバーターの使用

パワーエレクトロニクスは、電力を変換および制御するための電子回路を扱う電気工学の分野です。事実上すべての最新のデバイスが何らかの形のパワーエレクトロニクス回路を備えているので、それは広範囲のアプリケーションで非常に重要な分野です。電力変換に使用される最も一般的な電子部品には、ダイオード、整流器、トランジスタ、サイリスター、SCR（シリコン制御整流子）、およびMOSFET（金属酸化物電界効果トランジスタ）があります。

図1 。パワーエレクトロニクスは、ほぼすべての最新の電気機器に存在する重要な要素です。使用した画像 Skyfi Labs

電力変換器は、電流、周波数、電圧などの電力の主な特性を変更するように設計されています。当然、交流（AC）または直流（DC）のいずれの場合でも、基本的な形式はもう1つの重要なパラメーターであり、入力から出力へと変更することもできます。

これらの機能により、パワーエレクトロニクスシステムは、温度、モーター速度、無線周波数など、さまざまな非電気的変数を調整できます。この記事では、前述のすべての機能を備えたDC / DCコンバーターに焦点を当てていますが、主な違いは、電力形態が常にDCであるということです。

DC / DCコンバータとは何ですか？

DC / DCコンバータは、DC形式で電力を受け取り、DC形式のままで変更された電圧レベルを出力します。出力電圧は、入力より高くても低くてもかまいません。それらは一般に電圧レギュレータとしても知られています。これらのデバイスは、バッテリ駆動システムで見られるような、安定または一定ではない可能性のある電源からの出力を調整します。

DC / DCコンバータは通常、入力および出力の電圧と電流に基づいて定格が定められています。多くのコンバーターの出力定格は固定されていますが、範囲内で出力を調整できるコンバーターもあります。ほとんどのコンバーターは単一の出力でカウントしますが、デュアルおよび複数の出力を備えたオプションもあります。主な機能に基づいて、インダクタ、ダイオード、整流器、およびフィルタで構成されている場合があります。

図2。 高出力DC / DCコンバーターは、大量輸送システムで広く使用されています。使用した画像 アブソパルス

効率的なプロセスのために、電圧レギュレータ回路はパワーエレクトロニクスを使用してノイズを低減し、一定の出力を維持します。適切に設計されたレギュレータの効率定格は90％以上です。これは、電力損失と熱放散を減らすための重要な考慮事項です。

DC / DCコンバータのトポロジ

DC / DCコンバータは、リニアとスイッチングの2つの主要なグループに分類できます。

リニアレギュレータデバイスは分圧器と同様に機能し、出力で変更された定電圧を維持します。これらのレギュレータの主な欠点は、入力と調整された出力のほとんどすべての違いが排熱として失われるため、非効率性です。一方、スイッチングレギュレータは、出力を永続的にオンにするのではなく、必要に応じて出力のオンとオフを切り替えることで、より効率的に機能します。

DC / DCスイッチングコンバータには、主に2つのタイプがあります。絶縁型と非絶縁型です。

後者は、主に入力と出力間の電圧変化が比較的小さい場合に使用されます。入力と出力は共通のグラウンドを共有しているため、互いに分離されていません。逆に、絶縁型コンバータは、入力を出力から物理的に分離するように設計されており、干渉に対する保護を強化し、より信頼性の高い出力を提供します。以下は、各カテゴリで最も一般的なタイプのコンバータの一部です。

非分離

• ステップアップコンバーター ：ブーストコンバータとも呼ばれ、このデバイスの電圧出力は、同じ極性を維持しながら入力と同じかそれ以上です。このデバイスは、スイッチ（S）によって制御されるダイオード（D）のバイアスに基づいて出力に流れることができるインダクター（L）にエネルギーを蓄積することによって機能します。

図3。 ブーストコンバーターアニメーション。使用した画像 Marino108LFS [ CC BY-SA ]

• 降圧コンバーター： 降圧コンバータとも呼ばれ、出力は入力以下です。これとブーストコンバータの主な違いは、ダイオードとインダクタの配置です。この場合、スイッチ（S）がオフのとき、ダイオード（D）とインダクター（L）によって形成される等価回路により、蓄積されたエネルギーが出力に流れます。
• バックブーストコンバーター ：これらのデバイスは、入力電圧よりも低い、等しい、または高い電圧出力を生成します。これらは、一般的なアプリケーションである極性を反転する機能を提供します。この回路は、バックコンバータとブーストコンバータを組み合わせたものです。

図4。 バック、ブースト、およびバックブーストコンバーターの比較。使用した画像 シリル・バッテイ

分離

• フライバックコンバーター ：昇降圧コンバータと同様に動作しますが、変圧器は代わりにエネルギーを蓄えます。トランスは、入力と出力を分離します。
• フォワードコンバーター ：フライバックコンバータに似ていますが、変換ステップが最初に配置され、次に従来の昇降圧変換が続きます。

産業用自動化アプリケーション

前述のように、DC / DCコンバータには、産業用自動化を含む幅広いアプリケーションがあります。多くのフィールドデバイスは24Vの供給電力を必要とします。たとえば、電気パネルには、主電源からの電圧を下げるDC / DC降圧コンバータが装備されています。一部のフィールドデバイスは、この電圧レベルを必要とするだけでなく、クリーンで安定したエネルギー供給を必要とするほど感度が高いため、コンバーターを統合するもう1つの理由です。

図5。 PhoenixContactから分離されたDC / DCコンバーター。使用した画像 フェニックスコンタクト

小型デバイスへの一定の電力供給を維持するために、DC / DCコンバーターを統合することが重要な、バッテリー駆動の自動化アプリケーションは数多くあります。バッテリーが放電すると、電圧レベルは徐々に低下します。また、制御対象機器への予想外の高いエネルギー需要により、バッテリ電圧が急激に低下する可能性があります。自律移動ロボット（AMR）やレーザー誘導車両（LGV）などの移動自動機は、プログラマブルロジックコントローラー（PLC）などへの安定した電力供給を保証するためにDC / DCコンバーターを必要とするバッテリー駆動ロボットの例です。制御装置。