電源の熱負荷軽減

2019年11月5日Ron Stull著

電源の熱負荷軽減

温度はすべてのコンポーネントに影響します。温度によってコンポーネントの動作が変わることもあり、高温となればコンポーネントの損傷にもつながります。不要な動作や損傷の可能性を避けるために、コンポーネントとシステム全体には熱的制限値が設定されています。電源に関しては、指定された入力および出力条件での安全に稼働できる温度条件をユーザーに伝える、負荷軽減曲線がしばしば使用されます。この曲線を理解することにより、ユーザーは適切な電源を選択し、アプリケーションで信頼性の高い操作を確保することができます。

熱負荷軽減のレビュー

電源には、深刻な熱応力に曝される多くのコンポーネントがあります。高電流と動作頻度によって、いくつかのコンポーネントは温度が周囲温度より高くなり、コンポーネントが持つ熱的制限値にまで近づきます。周囲温度(Tambient)以上に上昇するコンポーネント温度の上昇量(Trise)は、方程式1に示す2つの変数、消費電力(Pd、ワットで測定)とその周囲温度に対するインピーダンス(Rθ、ワット当たりの℃で測定)に依存します。

Trise = Pd · Rθ
方程式1:温度上昇

実際のコンポーネント温度(Tcomponent)は、方程式2に示すように、温度上昇を周囲温度に加えることで計算することができます。

Tcomponent = Trise + Tambient
方程式2:コンポーネント温度

ここから、熱インピーダンスまたは電力損失に対するいかなる変更も、コンポーネントの温度における比例変化の原因となります(方程式3)。

例えば、ブリッジ整流器(接合部から周囲温度150°C/Wまでの熱インピーダンスを持つ)が、50℃の周囲温度での動作で0.5Wの電力を損失する場合、コンポーネント温度が125°Cであると予測します(方程式3)。

Trise = 0.5W · 150 °C/W = 75°C
Tcomponent = 75°C + 50°C = 125°C
方程式3:ブリッジ整流器の温度

ここで、コンポーネント温度を維持しながら、周囲温度を70°Cに増加することが望ましい場合、熱インピーダンスか電力損失のいずれかを減らす必要があります。電源のユーザーは、これら2つの変数を制御するいくつかの方法を使用してこれを達成することができます。

電力損失は、負荷を通して制御できます。負荷を増加すると、電源内の多くのコンポーネントによって損失する電力量は増加し、同様に負荷を減らすことで、多くのコンポーネントによって損失する電力が減少します。入力電圧を増加すると、電源の入力側にある一部のコンポーネントによって損失される電力を減らすこともできます。

熱インピーダンスは、電源の強制空気冷却を通して制御できます。流量が増加すると、熱インピーダンスが減少します。ヒートシンクは熱インピーダンスも低下させます。ただし、これは通常電源に統合されており、負荷低減曲線に含まれています。

熱硬化グラフの読み取り

電力損失や熱インピーダンス、電源メーカー全体のジャンクション温度の計算は複雑であることから、メーカーはしばしば負荷低減グラフをユーザーに提供することでこの問題を簡素化します。これらのグラフはテストを通じて生成され、すべてのコンポーネントを熱的制限値内に維持しながら、電源をどれだけ高温で動作できるかをユーザーに示します。しかし簡素化されても、電源によってグラフの表示方法や含まれる情報は異なる場合があります。

最も一般的なグラフには、許容される負荷と周囲動作温度が表示されます。図1は、VGS-250Bシリーズ電源が、通常「自然対流」と呼ばれる、強制冷却なしで動作する場合の、負荷低減曲線を示します。これは、該当する場合は、ユーザーにこの電源が内部コンポーネントの熱的破損または熱保護によるシャットダウンの危険性なしに最大50℃の周囲温度にて全負荷で動作できることを知らせるものです。周囲温度が50℃以上では、この電源は負荷をある程度まで低減させるか、負荷軽減曲線以下に減少させない限り、熱的破損を生じる危険性があります。例えば、周囲温度が60℃の場合は、その定格電力の80%、または安全な動作が確実になるまで負荷を軽減する必要があります。多くの場合、このケースのように、負荷を減らすメリットは今のところそれほどなく、最終的にはこの電源がいかなる負荷(図1の場合は70℃)でも動作すべきではないハード・リミットへと到達します。

CUIのVGS-250Bシリーズ、シャーシマウントAC-DC電源の周囲動作温度に対する許容負荷を示すグラフ。
図1:VGS-250Bの周囲動作温度に対する許容負荷を示すグラフ

場合によっては、強制空冷の異なる量に対する複数の曲線が提供されます。図2は、VHK100WシリーズDC-DCコンバータの負荷軽減曲線。この場合、全負荷で動作する温度は、強制空冷がどの程度適用されているかによります。強制空冷がない場合(自然対流)、装置が全負荷できる最高温度は50℃です。しかし、3.5m/sの強制空冷を適用した場合、全負荷は、78℃の周囲温度まで達成できます。これらの例では、強制空冷の量を表すために使用されている単位に注意してください。図2のグラフは、LFMとm/sの2セットの単位を提供しますが、多くの場合は1つのみが提供され、電源によって異なる単位が使用されることがあります。

CUIのVHK100WシリーズのDC-DCコンバータ用の強制空冷の異なる量を示す負荷軽減曲線を示すグラフ 。
図2:VHK100Wのさまざまな量の強制空冷を示す負荷軽減曲線

複数の入力範囲曲線を比較する方法について

ときに熱的制限値は、印加する入力電圧に依存しています。これらの場合、異なる入力範囲に対応する複数の曲線が表示されています。図3は、自然対流条件でのVMS-300Aシリーズの負荷軽減曲線を示しています。このような装置に対しては、最大負荷は、熱の減定格が考慮される前に高い入力電圧でのみ達成できます。この電源を自然対流条件で90Vac~200Vacの間で動作する場合、入力は最大200Wへと減定格しなければなりません。220Vac~264Vacの間で動作する場合は、250Wにロードすることができます。

グラフは、CUIのVMS-300Aシリーズ、シャーシマウントAC-DC電源の自然対流条件下の負荷軽減曲線を示しています。
図3:自然対流でのVMS-300Aの負荷低減曲線

上記低減曲線(図3)は、周囲温度や強制空冷の適用は考慮していません。このような例では、入力電圧に対して既に印加されている負荷軽減に加えて、温度や強制空冷に関してどの程度の負荷軽減の必要があるかを示すために、追加の負荷低減曲線が提供されます。VMS-300Aシリーズの場合、ユーザーは、図4の追加曲線が提供されます。左側の曲線は、図3から得られた2つの電圧範囲に対する自然対流の負荷と周囲温度の関係を示しています。図4の右のグラフは、強制空冷が適用された10CFMの同じ情報を示しています。この電源に対しては、強制空冷の印加により、ユーザーは入力電圧に関係なく、フルに300Wで使用することができます。

2つの電圧範囲の負荷と周囲温度間の関係を示す2つのグラフ。左側は自然対流条件下での出力電力と周囲温度を示し、右側のグラフは強制空冷の10CFMでの出力電力と周囲温度を示しています。
2つの電圧範囲の負荷と周囲温度間の関係を示す2つのグラフ。左側は自然対流条件下での出力電力と周囲温度を示し、右側のグラフは強制空冷の10CFMでの出力電力と周囲温度を示しています。
図4:2つの電圧範囲に対する負荷と周囲温度間の関係:自然対流(左)、10CFM強制空冷(右)

結論

電源の最大動作温度に影響する多くの条件があります。ユーザーにとって分かりやすいように、メーカーはしばしば、負荷、強制空冷の風量、印加する入力電圧などの特定条件間の関係を顧客に伝えるために負荷低減曲線を1つ以上提供しています。この情報を理解および順守することで、安全で信頼性の高い電源動作を保証できます。

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Ron Stull

Ron Stull

電力システムエンジニア

Ron Stullは2009年にCUIに参入して以来、アナログおよびデジタル電源、そしてAC-DCおよびDC-DC電力変換の分野で知識と経験を積み重ねてきました。彼はこれまで、アプリケーションサポート、テスト、検証、設計などの責任者としてCUIのエンジニアリングチームで重要な役割を担ってきました。Ronは、電力エンジニアリング以外では、ギターを弾いたり、ランニングをしたり、アメリカの国立公園をすべて訪れることを目標に妻とアウトドアを楽しんでいます。

 
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