DC電源は、業界固有の幅広いソリューションを提供します。

これらは、民生用電子機器、産業用オートメーションシステム、精密医療機器など、さまざまなアプリケーションに不可欠な電圧源を提供します。本稿では、さまざまなタイプのモジュラー電源とその用途について説明します。モジュラー電源ユニットは、その柔軟性と拡張性により、電子システムのパワーマネージメントを変革します。これらの先進的なユニットには、取り外し可能なケーブルと構成可能な電源モジュールが含まれており、ユーザーは電源ソリューションをカスタマイズできます。調整可能な電圧および電流出力を可能にし、熱管理を最適化し、高電力コンポーネントをサポートすることで、システムのパフォーマンスと適応性が向上します。モジュラー電源は、優れた拡張性、効率性、および簡素化された設計により、個別のソリューションよりも好まれます。モジュール設計により、内部の乱雑さが軽減され、空気の流れが改善され、拡張と再構成が容易になり、電子機器やコンピューティングのさまざまなアプリケーションに適しています。

電源タイプ電圧範囲アプリケーション
無停電電源装置(UPS)120V~480V ACデータセンター、通信施設、医療機器、産業用制御システム
スイッチングモード電源(SMPS)3.3V~48V DCコンピュータシステム、民生用電子機器、LED照明、産業用オートメーション
リニア電源5V~48V DC実験装置、医療機器、音響機器
プログラム可能な電源装置24V~600V DC試験および計測機器、ラボアプリケーション、研究開発
産業用電源24V~400V AC/DCファクトリーオートメーション、生産管理コントローラ、機械、ロボット
医療用電源12V~48V DC患者モニタリング装置、診断機器、手術器具
高電圧電源1KV~100KV DC医用画像、半導体製造、科学研究
ラックマウント電源12V~48V DC通信機器、サーバーラック、オーディオ/ビデオシステム
モジュラー電源12V~100V DCデータセンターサーバ、ストレージシステム、ネットワーク機器
DINレール電源12V~48V DC産業用制御パネル、ビルオートメーションシステム、HVAC機器
オープンフレーム電源5V~48V DC産業用コンピュータ、テスト機器、医療機器
冗長電源12V~48V DC重要なインフラストラクチャ、高可用性システム、ミッションクリティカルなアプリケーション
DC-DCコンバータ1.8V~48V DC自動車、通信、産業用制御システム
AC/DC電源100V~250V AC民生用電子機器、産業機器、照明
太陽光発電12V~600V DC再生可能エネルギーシステム、オフグリッド電力ソリューション
インバータI/p電圧 = 12 V~48 V DC、o/P電圧 = 120 V AC~240 V AC再生可能エネルギーシステム、無停電電源システム
バッテリーバックアップ12V~48V DC重要なインフラストラクチャ、非常用照明、セキュリティシステム
表1:各種DC電源タイプとそのアプリケーションの概要

柔軟性:モジュール設計の基礎

モジュール式で構成可能な電源は、開発において優れた汎用性と柔軟性を提供します。同一プラットフォーム上でコンポーネントを調整または再配置することで、広範囲の電流および電圧(I-V)特性を実現できるため、大規模なシステム再設計が不要になります。たとえば、750Wモジュラープラットフォームは、62.5Aで12VDCから15.6Aで48VDCまでの範囲の出力、またはその間の任意の構成を提供でき、各出力は独立して調整されるため、干渉のない安定したパフォーマンスが確保されます。従来の固定ユニットとは異なり、モジュールシステムは、特定の電力要件に正確に一致するように組み合わせることができる交換可能なモジュールを備えています。この設計は、適応性が重要となる研究開発環境で特に有益です。モジュラー電源の主な利点は以下のとおりです。

  • カスタマイズとケーブル管理:ユーザーは、さまざまな長さ、色、タイプの取り外し可能なケーブルを使用してセットアップをカスタマイズできるため、ケーブル管理がより効率的になり、見た目も向上します。この柔軟性により、ユニット全体を交換することなく、変化する需要に合わせて電力出力を調整できるため、よりクリーンな構築とシステム効率の向上が実現します。モジュラー電源はケーブルの乱雑さを軽減することで空気の流れと冷却を強化し、低温を維持し、コンポーネントの寿命を延ばすのに役立ちます。この設計は、より優れたオーバークロックと予備の冷却ファンの追加もサポートします。モジュールユニットには、冷却をさらに簡素化する一体型ファンが搭載されていることがよくあります。
  • 適応性のある設計と多目的な機能:モジュラー電源は、カスタマイズ可能な出力構成により優れた汎用性を提供します。幅広い電圧および電流出力をサポートし、複数のチャネルを備え、さまざまなデバイスに同時に電力を供給します。これらの電源は、完全な再設計を必要とせずに、変化する電力需要に合わせてモジュールを追加または削除することで簡単に拡張できます。出力範囲が広いため、低消費電力エレクトロニクスから高出力産業システムまで、さまざまなアプリケーションに適しています。たとえば、TDK-Lambdaの新しいMU4シリーズは、コンフィギュレータを介して3.3Vから104Vまでのシームレスな電圧オプションを提供します。
出力電圧範囲最大電流最大出力
3.3~6V30A150W
3.3~6V54A260W
6~15V20A240W
6.6~15V30A300W
12~30V30A480W
15~30V10A240W
30~52V5A240W
30~60V10A480W
60~104V5A480W
表2:広範囲の出力調整(MU4出力電圧範囲)(ソース)

複数の絶縁出力を備えたモジュラー電源は、電圧と電流の構成において比類のない柔軟性を提供します。これは、正極性と負極性の両方を必要とするさまざまなアプリケーションにとって不可欠です。これらのシステムは、XPのRCL175などの分数巻トランスフォーマー(FTT)テクノロジーを使用することで、パフォーマンスを犠牲にしたり複雑さを増したりすることなく、広範囲の出力(通常3.3V~60VDC)を効率的に提供します。

分数巻トランスフォーマーの構成
図1:分数巻トランスフォーマーの構成(ソース)

FTTテクノロジーは、メイントランスフォーマーで効率的な整数ターンを可能にし、分数ターンには別のトランスフォーマーを使用することで、複数の出力電源を強化します。その結果、調整の改善、サイズの縮小、効率の向上が実現します。設計プロセスが簡素化され、事後調整の必要性がなくなり、電圧のセンシングと制御が最適化されます。これは、3.3Vや5Vのような一般的な電圧の組み合わせに特に役立ちます。

その結果、FTTテクノロジーを搭載したモジュラー電源は、技術アプリケーションにおける複雑な電力要件に対応する、コンパクトでコスト効率に優れた高効率のソリューションを提供します。

多様なポートフォリオを備えたモジュラー電源
図2:多様なポートフォリオを持つモジュール電源(ソース)
  • 最適化された熱放散:モジュラー電源は、熱の無駄を最適化し、寿命を延ばして、さまざまな冷却ニーズに適応します。高電力密度と効果的な対流冷却により、強制冷却の必要性が減り、統合が容易になります。

    20CFM(立方フィート/分)を必要とする製品は、システムが小型化してノイズが問題になるという課題がありますが、10~12CFMであれば管理しやすく、コスト効率も高くなります。これらの電源装置は、対流冷却と高出力の強制冷却定格を組み合わせることで、高温または高負荷の場合にのみ作動する可変速度ファンを使用します。これにより信頼性が向上し、ノイズが低減されます。

  • スペース管理の改善と製品ライフサイクルの合理化:モジュラー電源は、PCBスペースを節約し、熱管理を簡素化することで、電源システム設計を強化します。コンパクトな形状と高電力密度により、設計の反復とメンテナンスが促進します。対照的に、ディスクリートソリューションでは、調達、検証、統合に広範な専門知識、時間、労力が必要になります。これにより、小さな設計変更が複雑になり、スペースと重量の増加により柔軟性が低下します。

    電源モジュールとディスクリート設計のどちらかを選択する場合は、製品ライフサイクル全体を考慮してください。ディスクリート設計では、社内のチームに設計、テスト、認証の負担がかかり、大幅な遅延が発生するリスクがあります。スケーリングには多くの場合、完全な再設計が必要となり、開発スケジュールが延長されます。一方、電源モジュールは物流を合理化し、組織のストレスを軽減します。Vicorなどの認定済みモジュールは信頼性とコンプライアンスを確保し、大規模な再設計なしでシームレスな拡張性を実現します。

小型フットプリント内での優れたスペース管理
電力供給ネットワーク
図3(a):小型フットプリント内での優れたスペース管理(ソース)
図3(b):電源供給ネットワーク(ソース)
  • インストールの合理化と信頼性の向上:モジュラー電源は、効率を最適化し、サイズと廃熱を削減し、寿命を延ばしてさまざまな冷却ニーズに適応します。高電力密度と効果的な対流冷却により、強制冷却の必要性が減り、統合が容易になります。20CFM(立方フィート/分)を必要とする製品は、システムが小型化してノイズが問題になるという課題がありますが、10~12CFMであれば管理しやすく、コスト効率も高くなります。これらの電源装置は、対流冷却と高出力の強制冷却定格を組み合わせることで、高温または高負荷の場合にのみ作動する可変速度ファンを使用します。これにより信頼性が向上し、ノイズが低減されます。
  • コンプライアンスの簡素化:電力コンバータは、高電圧主電源とSELV電子ネットワークの間の安全バリアとして機能し、厳格な検査を受けています。規制当局の承認を得るには、電力変換設計におけるコンプライアンスの簡素化が不可欠です。AC/DCおよびDC/DCアプリケーション用のスイッチモード電力コンバータは、重大な電磁干渉(EMI)を生成する可能性があります。

    厳格な安全性とEMC規格に合わせて事前に設計およびテストされたモジュラー電源は、予測不可能な広帯域ノイズによる放出の問題を軽減します。市販の電源を複数使用すると、追加接続のための十分な余裕がないことが多く、漏れ電流が蓄積して安全違反が発生するリスクがあります。

    モジュール式で構成可能な電源を選択すると、コンプライアンスが確保され、テストコストが削減されて、規制承認が迅速化されます。複数のサプライヤーと取引する場合と比較して、単一のベンダーを使用するとコンプライアンスの問題の解決が簡単になります。

拡張性:増大する電力需要への対応

モジュラー電源は適応性と効率性を提供し、ダウンタイムを最小限に抑えながら、変化する需要に合わせて段階的に拡張または変更することができます。ユーザーは、自己完結型電源モジュールを追加または削除することで、必要に応じて出力を調整できます。この拡張性は、変動する電力要件と動的な計算負荷によりエネルギー消費と運用コストの最適化が求められる産業分野やデータセンターで特に有益です。主な利点の一部は以下のとおりです。

  • 内部モジュール性:電源システムの内部モジュール性により、企業は小規模から始めて、ホットスワップ可能でユーザーが交換可能な電源モジュールを追加または削除することで必要に応じて拡張し、効率を高めて設備投資を削減できます。この柔軟なアプローチにより、容量のアップグレードが簡素化され、メンテナンス中のダウンタイムが最小限に抑えられ、変化する電力需要に適応できます。標準化されたブリックにより迅速なカスタマイズが可能になり、簡単な構成ディスプレイによりインストールが合理化されます。事前に設計された資産とシンプルなプラグインモジュールにより、複雑な配線や危険性が排除され、追加モジュールの自己テストや自動構成などのエンジニアリングスキルがなくても将来の互換性と拡張性が確保されて、障害のない接続と負荷保護を提供します。これらのシステムは、自己診断機能、簡単に交換できるスペアモジュール、障害の伝播を排除する高度な設計により、単一障害点をなくし、比類のない信頼性を保証し、1,000,000時間のMTBFを誇ります。
  • 負荷管理:モジュラー電源ユニット(PSU)は、増加した負荷を効率的に管理します。たとえば、最大容量200 kVAのUPSは、最初は100kVAから始めて、必要に応じて200kVAまで拡張できます。モジュールPSUは100~200kVAのさまざまな電力レベルに構成でき、各キャビネットで100、130、150、180、200kVAなどのオプションが利用できます。電力レベルは、サービスオペレーターによるフィールドアップグレードを通じて上げることができます。他のPSUは、通常、小規模なコンピュータのインストール用に20kVA未満の電力レベルが標準ですが、これらのモジュラーPSUは、静的転送スイッチなしで並列操作を可能にする独自の電流共有技術を使用します。また、発電機に適した入力フィルターも含まれており、UPSは外部発電機に対して誘導負荷として機能します。

多様な産業にわたるアプリケーション

モジュラー電源は柔軟性と拡張性に優れているため、幅広いアプリケーションに最適です。

  • データセンター:モジュール電源は、サーバーラックの動的な電力ニーズに適応し、新しい機器の追加やコンピューティング需要の増加に合わせて簡単に拡張できます。
  • テレコム:モジュール電源システムは、ネットワークインフラストラクチャの進化に合わせて再構成でき、新しいテクノロジーと電力要件の増加をサポートします。
  • 産業用オートメーション:電力ニーズが変化する製造プロセスでは、簡単に調整できる電力構成が役立ちます。
  • 医療機器:モジュラー電源は、厳格な安全基準を遵守しながら、さまざまな医療機器の正確な電力要件を満たすようにカスタマイズできます。
  • 再生可能エネルギーシステム:これらの電源は、太陽光発電や風力発電設備における変動するエネルギー生産および貯蔵のニーズに適応します。
  • テストと計測:研究室や試験施設では、さまざまな実験や試験シナリオの多様なニーズを満たすように電源を構成できます。

データセンター向けUPS:現代のニーズに対応する重要な機能

データセンターは私たちのデジタルライフを支えています。ダウンタイムはサービスを中断させ、社会的影響、経済的損失、潜在的な危険を引き起こす可能性があります。最新のデータセンターでは、継続的な運用とレジリエンスを確保するために、UPSシステムなどの専用インフラストラクチャを使用しています。

現代のデータセンター向けモジュラー電源システムの適合性は、次の3つの主要な柱によって定義されます。

  1. 運用のレジリエンスと信頼性
  2. ライフサイクルコストの最適化
  3. 柔軟な拡張性と統合

Legrandの主要なUPSテクノロジーには、拡張とメンテナンスが容易なモジュール式アーキテクチャ、高効率を実現する高度なパワーエレクトロニクス、パフォーマンスを最適化するインテリジェント制御システムなどがあります。これらの機能により、データセンターに最適です。

1)運用のレジリエンスと信頼性:

主な利点は以下のとおりです。

  • 高可用性:N+1冗長性により実現します。
  • 平均修復時間(MTTR)の短縮:問題が発生した場合に迅速に解決できるようにします。
  • ホットスワップ可能なコンポーネント:ダウンタイムなしでメンテナンスが可能になります。
N+1冗長構成の例
図4:N+1冗長構成の例(ソース)

2)ライフサイクルコストの最適化:

利点は以下のとおりです

  • 特に部分負荷時に高いエネルギー効率を実現します。
  • 寿命を延ばすスマートなバッテリー管理。
  • メンテナンスおよびサービスコストの削減。
  • コンポーネントの耐用年数の延長。
  • 保守性の向上。
Legrand UPSソリューションは、最大96.6%の効率を実現し、省エネとコスト効率に優れデータセンターに最適です。
図5:Legrand UPSソリューションは、最大96.6%の効率を実現し、省エネとコスト効率に優れデータセンターに最適です(ソース)

3)柔軟な拡張性と統合:

主な利点は以下のとおりです

  • スケーラブルな電力容量(「システム規模に応じた支払い」)。
  • さまざまな電気インフラとの互換性。
  • コンパクトな設置面積と柔軟な設置オプション。
  • 高度な通信機能と統合機能。
Keor MOD:必要に応じた拡張性。インフラストラクチャを変更せずにラックにサーバを追加し、UPSをアップグレード
図6:Keor MOD:必要に応じた拡張性。インフラストラクチャを変更せずにラックにサーバを追加し、UPSをアップグレード(ソース)
高電力密度とコンパクトな設置面積
図7:高電力密度とコンパクトな設置面積(ソース)
完全な通信ポートとインターフェース(USB、ドライ接点、RS232、RS485、ModBUS、イーサネット、パラレル、IN/Outロジック信号など)
図8:完全な通信ポートとインターフェース(USB、ドライ接点、RS232、RS485、ModBUS、イーサネット、パラレル、IN/Outロジック信号など)(ソース)

これらのUPSシステムは、小規模なオンプレミス施設から大規模なハイパースケールやコロケーションセンターまで、さまざまなタイプのデータセンターの進化するニーズを満たすように設計されています。これらは、エネルギー効率を最適化し、総所有コスト(TCO)を削減し、変化するインフラストラクチャ要件に適応する柔軟性を提供しながら、信頼性の高い電源保護を提供することに重点を置いています。

結論

モジュラー電源は、パワーマネージメント技術における大きな進歩であり、さまざまなアプリケーションにわたって柔軟性、拡張性、効率性を提供します。変化する電力要件に適応し、熱管理を改善し、設置を簡素化する機能により、データセンター、通信、産業オートメーション、医療機器、再生可能エネルギーシステム、テストおよび計測環境で好ましい選択肢となっています。

世界的な販売代理店として、当社はこれらのニーズを満たす多様なモジュラー電源を提供し、信頼性の高いパフォーマンスと厳格な安全基準へのコンプライアンスを保証します。適応性と効率性に優れた電源ソリューションの需要が高まるにつれ、モジュラー電源は次世代の技術進歩を支える上で重要な役割を果たすことになります。

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