カスタム電源開発・設計 豆知識

発電所やインフラ設備、工場ラインなど24時間稼働、かつ安定稼働が求められる現場で使用される産業用機械・装置においては、「電源の長寿命化」は、重要課題の一つです。

近年は、装置の高機能化に伴い電源に求められる要求も複雑化しています。しかしその一方で、「複雑な仕様や難易度の高い仕様を初期段階から相談し、仕様検討、設計、製造、評価までトータルで任せられる依頼先が減ってしまった」というお声をいただくようになっています。結果として、要求仕様に対応できる依頼先が見つからず、耐環境性等の要求スペックを緩和せざるを得ないケースも少なくありません。

そのため、仕様が複雑化する中、長寿命で信頼性の高い電源をどのように開発・調達すればよいか、悩まされる方もいらっしゃるのではないでしょうか。

そこで本記事では、高機能化が進み、仕様も複雑になる中で、装置の信頼性を大きく左右する産業用電源の長寿命化を実現するポイントについて解説します。

電源がすぐ壊れる原因は「回路方式」にあるかもしれません

もし、既存の電源で「期待した寿命を満たせない」「トラブルが頻発している」といった場合、その電源の内部で採用されている「回路方式」が原因かもしれません。

世の中に流通している小〜中電力の電源の多くは、部品点数を減らしてコストを下げるために「フライバックコンバーター方式」という回路が採用されています。

しかし、この方式はスイッチング素子がオフになる瞬間にエネルギーを一気に放出する構造上、2次側の平滑用「アルミ電解コンデンサ」に対してリップル電流が発生してしまいます。

電解コンデンサは熱に非常に弱く、周囲温度が10℃上がると寿命が半分になる（10℃2倍則）という性質があります。フライバック方式はコンデンサの自己発熱を招きやすいため、結果として電源そのものの寿命を極端に縮めてしまうのです。

＞＞電解コンデンサの寿命についてはこちら

産業用電源で高難度仕様と長寿命化を両立するポイント

例えば、設計開発の現場では次のようなご要望がよく挙がります。

「異なる入力電圧が現場で想定されるが、装置の部品管理やメンテナンスの手間を減らすため、電源ユニットの仕様は1つに共通化したい。かつ、過酷な環境に耐える長寿命を実現したい」

お客様からすると、入力電圧ごとに電源を何種類も用意したくないというのは当然のご要望です。しかし、「入力範囲を広く持たせること」と「長寿命を維持すること」を一つの電源で両立させるのは、実は非常に難易度が高くなります。

長寿命化のポイントは、「フォワードコンバータ方式」の採用と「トータルサポート」ができるメーカー選定

産業用電源の長寿命化を実現するためには、部品の定格に余裕を持たせるディレーティングの徹底や、熱を逃がすための放熱設計など、いくつかのアプローチが存在します。しかし、長寿命化のご要望をいただいた際、当社が特にお伝えしたい対策が、下記図の「フォワードコンバータ方式」への設計変更です。

図1. フォワードコンバータ方式

当社では、発電所向けなど高い信頼性と長寿命が求められる産業用電源では、発熱リスクのあるフライバック方式ではなく、基本的にフォワードコンバータ方式を採用しています。

フォワードコンバータ方式は、上述のフライバック方式と異なり、エネルギーを直接2次側へ伝達し、専用のチョークコイルで平滑化する仕組みです。この仕組みにより、2次側の電解コンデンサに流れるリップル電流を大幅に抑えることができるため、コンデンサの発熱が最小限に抑えられ、電源ユニット全体の寿命を大幅に延ばすことが可能になります。

しかし、ここで上述のような広範囲入力という条件が加わると、設計のハードルは格段に跳ね上がります。大きく変動する入力電圧により、内部のトランスやスイッチング素子に対して非常に高い負荷がかかります。入力電圧が低い時は大電流による発熱が起き、高い時は高電圧によるスイッチング損失が増大するためです。

つまり、入力範囲を広く取るような難易度の高い複雑な仕様において長寿命を実現するためには、単に回路構成をフォワード方式へ変更するだけでは不十分です。入力電圧の変動を見越したトランス設計や、熱を逃がすための放熱設計など、お客様の要求仕様に合わせた詳細設計も必要不可欠となります。

こうしたお客様の要求仕様に合わせた細かな検討を行うには、構想段階での仕様ヒアリングから回路設計、試作、評価、そして製造までの産業用電源の設計・開発を一貫して対応できるメーカーへ依頼することも重要になります。

＞＞電源の種類はこちら

電子機器や産業機器の設計・製造の一貫対応はアイガ電子工業にお任せください！

電源の長寿命化を実現するには、装置側の要求仕様を理解し、最適な回路方式や熱設計を行う必要があります。これらを内製化して行う、あるいは複数の外注先に依頼することは多大な労力がかかります。

当社は、単なる電源の製造請負ではなく、仕様のヒアリングから、回路設計、試作、評価試験、そして製造までをトータルでサポートいたします。電源開発に関して、当社に丸ごと任せていただくことで、手戻りを防ぎ、お客様の機械・装置本体の開発に専念していただけます。

「今の電源の寿命に不満がある」「仕様を共通化しつつ、絶対に止まらない電源を作ってほしい」といったお悩みがございましたら、ぜひお気軽に当社までご相談ください。

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