DC/DCコンバーターで産業オートメーションの効率を最大化

パワーエレクトロニクスは、電力を変換・制御する電子回路を扱う電気工学の分野です。事実上すべての現代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搭載しているため、極めて重要で幅広い応用を持つ分野です。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、SCR（サイリスタ）、MOSFET（金属酸化膜半導体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現代電気機器に存在する重要な要素。画像提供：Skyfi Labs

電力コンバーターは、電流、周波数、電圧などの電力の主要特性を変更するように設計されています。当然ながら、交流（AC）か直流（DC）かという基本形態も、入力から出力へ変更可能な重要なパラメータです。

これらの能力により、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、幅広い非電気変数を制御できます。この記事では、前述のすべての機能を備え、主な違いが電力形態が常にDCであるDC/DCコンバーターに焦点を当てます。

DC/DCコンバーターとは？

DC/DCコンバーターはDC形態で電力を取り込み、DC形態のまま出力電圧レベルを変更します。出力電圧は入力より高くも低くもできます。これらは電圧レギュレーターとしても一般的に知られています。これらのデバイスは、バッテリー駆動システムなどで見られる、安定しないまたは一定でない電源からの出力を制御します。

DC/DCコンバーターは通常、入力/出力電圧と電流に基づいて定格付けされます。多くのコンバーターは固定出力定格ですが、一部は範囲内で出力調整が可能です。ほとんどのコンバーターは単一出力ですが、デュアルや複数出力のオプションもあります。主な機能に基づき、インダクタ、ダイオード、整流器、フィルターで構成される場合があります。

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る。画像提供：Absopulse

効率的なプロセスのために、電圧レギュレーター回路はパワーエレクトロニクスを用いてノイズを低減し、一定の出力を維持します。よく設計されたレギュレーターは90%以上の効率定格を持ち、電力損失と熱放散を減らす重要な考慮事項です。

DC/DCコンバーターのトポロジー

DC/DCコンバーターは主に2つのグループに分類できます：リニアとスイッチング。

リニアレギュレーターデバイスは電圧分割器と同様に機能し、修正された一定電圧を出力に維持します。これらのレギュレーターの大きな欠点は非効率性で、入力と制御出力の差のほぼすべてが廃熱として失われます。一方、スイッチングレギュレーターは、出力を常時オンにするのではなく、必要に応じてオン/オフを切り替えることでより効率的に動作します。

DC/DCスイッチングコンバーターには主に2つのタイプがあります：絶縁型と非絶縁型。

後者は、入力と出力の電圧変化が比較的小さい場合に主に使用されます。入力と出力は共通グラウンドを共有するため、互いに絶縁されていません。逆に、絶縁型コンバーター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、干渉に対するより高い保護とより信頼性の高い出力を提供します。以下は各カテゴリーで最も一般的なコンバータータイプです。

非絶縁型

• 昇圧コンバーター（Step-up Converter）： ブーストコンバーターとも呼ばれ、このデバイスの出力電圧は入力と同等またはより高く、同じ極性を保ちます。このデバイスは、インダクタ（L）にエネルギーを蓄え、スイッチ（S）で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ようにします。

図3. ブーストコンバーターのアニメーション。画像提供：Marino108LFS [CC BY-SA]

• 降圧コンバーター（Step-down Converter）： バックコンバーターとも呼ばれ、出力電圧は入力と同等またはより低くなります。ブーストコンバーターと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（L）で形成される等価回路により、蓄えら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（Buck-Boost Converter）： これらのデバイスは、入力電圧より低い、等しい、または高い出力電圧を生成できます。極性反転の能力を提供し、一般的な用途です。回路はバックとブーストコンバーターの組み合わせです。

図4. バック、ブースト、バックブーストコンバーターの比較。画像提供：Cyril Buttay

絶縁型

• フライバックコンバーター（Flyback Converter）： バックブーストコンバーターと同様に動作しますが、エネルギーを蓄えるのがトランスフォーマーです。トランスフォーマーが入力と出力の間の絶縁を提供します。
• フォワードコンバーター（Forward Converter）： フライバックコンバーターと似ていますが、変換ステップが最初に来て、その後に従来のバックブースト変換が続きます。

産業オートメーションへの応用

前述の通り、DC/DCコンバーターは産業オートメーションを含む幅広い用途があります。多くのフィールドデバイスは24V電源を必要とします。例えば、電気盤にはメイン電源から電圧を下げるDC/DC降圧コンバーター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敏感で、これがコンバーター統合のもう一つの理由です。

図5. Phoenix Contactの絶縁型DC/DCコンバーター。画像提供：Phoenix Contact

バッテリー駆動のオートメーションアプリケーションは数多くあり、小型デバイスへの安定した電力供給を維持するためにDC/DCコンバーターの統合が不可欠です。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。バッテリー電圧は、制御装置への予期せぬ高エネルギー需要により突然低下することもあります。自律移動ロボット（AMR）やレーザー誘導車（LGV）などのモバイル自動化マシンは、PLCやその他の制御デバイス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。