絶縁型電源コンバータと非絶縁型電源コンバータ

絶縁型電源と非絶縁型電源の違いは何ですか？

簡単に言うと、絶縁型電力コンバータは出力から入力を電気的に絶縁し、回路を物理的にふたつのセクションに分離して、通常はトランスフォーマーを使用して入力と出力との間の電流の流れを直接妨げます。非絶縁型電力コンバータは、入力と出力の間を電流が流れる単一回路を持っています。電源を良く知らない人にとっては、次のような疑問が浮かんでくるでしょう。「非絶縁型電源と絶縁型電源のそれぞれのメリットは何ですか？」「そして、私のアプリケーションに必要なのはどちらですか？」

絶縁の基本について

ガルバニック絶縁（通常は単に絶縁と言われる）は、回路の1セクションとその他のセクションの間を物理的および電気的に絶縁します。絶縁の結果、絶縁された回路は自身のリターンまたはアースリファレンスを持ちます。非絶縁型コンバータでは、図1の左側に示された通り、入力と出力は共通の接地を共有し、電流はその間を流れます。ただし、図1の右側に示された絶縁型コンバータでは、入力および出力は、それぞれの独立した接地に戻り、一方から他方への直接電流が流れる経路は存在しません。

絶縁型コンバータでは電流が入力と出力の間を流れることはできませんが、それでも電力と情報は一方から他方へと移行される必要があります。これを行うにはいくつかの方法がありますが、電力コンバータは通常、電力は変圧器または結合インダクターを使用して電磁場を介して転送されること、そして信号は信号変圧器を使用するか光アイソレータを介して光学的に絶縁を通過すること、の2つの点に依存しています。

絶縁は絶対的ではありません。ある程度高い電圧では、絶縁体は破損し、電流が流れます。データシートは通常、絶縁電圧をリスト出力します。この絶縁電圧とは、電流が流れることなく、短期間にわたって分離することができる電圧です。絶縁定格は、作業電圧と混同してはなりません。, 絶縁分解なしに絶縁に連続的に適用することができる最大電圧です。

絶縁のメリット

絶縁型電源が必要となる場合や、絶縁型電源がアプリケーションでメリットをもたらすようなケースがいくつかあります。安全コンプライアンス、接地ループの破損、レベルシフトなどです。

安全コンプライアンス

絶縁型電力コンバータを使用する理由となる、もっとも一般的な理由が安全要件です。高電圧または危険なレベルに達する電圧（ACメインから給電されるACDCコンバータなど）から給電されているコンバータに対しては、絶縁で入力の危険な電圧から出力を分離します。

安全性が懸念される場合、絶縁グレードも考慮する必要があります。安全基準を確認して、特定のアプリケーションに対して必要な絶縁レベルを決定する必要があります。絶縁グレードは、機能絶縁、基礎絶縁、付加絶縁、強化絶縁などのいくつかのカテゴリに区分されています。

• 機能絶縁： 最もシンプルかつ実証された絶縁グレードで、電気ショックに対する保護はありません。
• 基礎絶縁：: ショックに対して単層型の保護を提供します。
• 付加絶縁： 基礎絶縁に余分に追加バリアがひとつ追加されたものです。
• 強化絶縁 : 基礎絶縁2つ分に相当する単一バリアです。

接地ループの分割

絶縁された電源の入力と出力は接地を共有しないことから、これを接地ループの分割にしようすることができます。ノイズに対して感度が高い回路は、これを利用して設置を破壊し、問題を引き起こす可能性のあるノイズが多い回路から分離することができます。

フローティング出力およびレベルシフト

絶縁型コンバータのもうひとつのメリットはフローティング出力です。絶縁された出力は、出力端子間に固定電圧を持ちますが、絶縁されている回路内の電圧ノードに対して定義された、あるいは固定された電圧を持っていません。これをフローティングと言います。ただし、1つのフローティング出力が他の回路ノードに接続されている端子の1つを持ち、その電圧に修正していることがあります。この事実は、回路内の他のポイントに対して出力をシフトまたは反転させるために使用できます。

例えば、図2では、+Vout端子の入力接地端子への接続方法によって、Voutに対して等しい量だけ出力グランドを入力グランドより下に強制されることが示されています。この接続を行う前は、VinとVout間の電圧は未定義でしたが、この接続によって各サイドが現在関連する共通の可能性が提供されます。

図3に示すように、出力接地端子を+Vin端子に接続することで、+Vout 端子は、入力接地に対して（Vin +Vout）と等しくなります。これと前のケースの両方において、入力から出力の絶縁は、現在の2つのサイドが直接接続を共有しているため絶縁が失われます。

フローティング出力を備えた複数の絶縁型コンバータ出力は、図4に示されている通り、出力電圧を直列で接続したり、+/- レールを作成することもあります。

出力が真にフローティングとなるように注意を払う必要があります。例えば、2つの絶縁型コンバータの出力接地端子がシャーシに接続されている場合は、それらは互いに対してフローティングにはなりません。そして、その出力が直列に接続されている場合は、両方の端子がシャーシに接続されているため、コンバータの一つに短絡を発生させます。AC-DCコンバータでは、出力接地端子がアースに接続されていることがあります。これは絶縁されていてもフローティングにはなりません。

非絶縁型のメリット

絶縁には多くのメリットがありますが、コスト、サイズ、性能などの点から非絶縁型コンバータを使用すべき場合もあります。

コスト削減

絶縁型コンバータは、非絶縁型コンバータよりも比較的高価な傾向があります。コストの違いに影響を及ぼす主な理由は、インダクターの代わりに変圧器を使用していることです。通常在庫から購入できるインダクターを使用する非絶縁型コンバータとは異なり、変圧器はカスタムメイドの対応となる傾向があります。高レベルの絶縁体が必要となる場合は（安全コンプライアンスで必要とされるなど）、コストが上昇します。変圧器に加え、光カプラーなどのコンポーネントもあります。光カプラーは絶縁型設計に追加されますが、非絶縁型では必要ありません。これらすべてが、非絶縁型デザインと比較した場合にコストの上昇へとつながります。

小型サイズ

非絶縁型コンバータは絶縁型よりも小型である傾向があります。前述したコスト上昇に関わる追加コンポーネントがスペースを占有するため、絶縁型は非絶縁型よりも大きくなります。変圧器をインダクターで置き換えることに加え、非絶縁型コンバータはより高い切り替え周波数で動作する傾向があり、これにより磁気コンポーネントやコンデンサのサイズをさらに削減できます。

効率

非絶縁型コンバータの効率と規制も、絶縁型コンバータのものよりも優れている傾向があります。トランスや光カプラーも、パフォーマンスの差異に大きく影響を及ぼします。絶縁バリアがないため、出力は直接感知され、より良い規制と一過性のパフォーマンスを実現することができます。小型サイズという特長も、より負荷に近づけることができ、トランスミッションラインの影響を低減することができます。

結論

絶縁型コンバータと非絶縁型コンバータのどちらを選択するかは、様々な要因により異なります。一部のアプリケーションでは、安全上の理由から絶縁が求められ、また異なったアプリケーションでは、接地ループや基準電圧のシフトを遮断することによるフローティング出力からのメリットを活用できます。ただし、絶縁が必要とされないケースでは、コストやサイズの削減、効率向上を提供するのは非絶縁型コンバータでしょう。設計に対して適切なコンバータを選択する際、絶縁のコストと利点を理解することは重要です。

カテゴリ： 基礎、製品の選択

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