48Vから24Vへのコンバータ戦略の実装

48Vから24Vへの降圧変換に再び注目すべき理由

48V電気アーキテクチャは、産業機器、商用車、通信インフラなど幅広い分野で徐々に普及しています。これは、従来の12Vや24Vシステムよりも高電圧でありながら、同じ電力でも電流を低減できるという実用的なバランス点を提供します。さらに、高電圧システムほど厳格な絶縁対策を必要としないため、コスト面でも有利です。しかし、課題もあります。実際のエンドユーザー機器の多くは、依然として24Vで動作しています。センサーやコントローラー、ディスプレイ、通信モジュール、および多くの旧式サブシステムは24V向けに設計されており、今後もその仕様が変わることはありません。

この電圧の不一致は、繰り返し発生するエンジニアリング上の課題を引き起こします。48Vのバッテリーバンクまたは電源バスは、主駆動システムや一次電力分配には最適ですが、その電圧を信頼性高く24Vに降圧する手段がなければ、システムの他の部分はクリーンな電源を確保できなくなります。48Vから24Vへのコンバーターは単なる部品ではなく、複数の電圧を併用するシステムを実現するための“橋”なのです。

真の需要が生まれる場所

48Vから24Vへの変換ニーズは、意外にも幅広い用途で見られます。たとえば、電動フォークリフトや自動誘導搬送車（AGV）では、走行用モーターに48Vバッテリーを採用している一方で、制御電子機器、センサーや人間と機械のインターフェース（HMI）には安定した24Vが必要です。同様のパターンは、5G向け屋外通信キャビネットでも見られ、主電源アーキテクチャが48VDCで構成されているものの、監視装置、ゲートウェイ、コントローラーなどは依然として24VDCを必要としています。 .

自律型モバイルロボット（AMR）も同様の状況に直面しています。これらのプラットフォームでは、走行用に通常48Vのバッテリーシステムが採用されていますが、LiDARユニットや安全制御装置、産業用PCには24VDCが必要であり、さらにカメラや無線モジュールなどは12VDCを必要とする場合もあります。 電圧変換層は任意ではなく、機器が正常に機能するために不可欠な要素です。

商用車もまた主要な用途の一つです。48V電気システムを搭載したトラックでも、24Vのアクセサリーや照明、制御システムへの給電は依然として必要です。 マリン用途でも同様の考え方で、48Vのバッテリーバンク（住宅用電源）からナビゲーション機器や通信機器など24V機器へ給電します。

絶縁型と非絶縁型トポロジーの選択

ここから技術的な判断が求められます。非絶縁型コンバータは構造がシンプルで小型化が容易であり、一般的に高効率です。設計が優れた製品では、ピーク効率が95％前後になることも珍しくありません。 入力と出力の間に直接的な電気的経路があり、共通のグランドを共有します。これは、入力回路と出力回路が同じ電気的ドメイン内にあり、グランドループが問題とならない場合には十分に機能します。

一方、絶縁型コンバータはトランスフォーマーを用いて入力と出力の間で電気的絶縁（ガルバニック・アイソレーション）を実現します。両側の間には直流経路が存在しません。 この絶縁にはいくつかの目的があります。まず、産業環境においてノイズの主な原因となるグランドループを遮断します。次に、規制上の理由から片側を他側から分離する必要がある場合に、安全上のバリアを提供します。さらに、出力を入力に対してフローティング（浮遊）させることができ、特定のシステム構成において有用です。

ただし、絶縁化には明確なトレードオフがあります。コストとサイズが増加し、効率も数パーセント低下します。非絶縁型ユニットは理想的な条件下で97～98％の効率を達成できるのに対し、同等の品質を持つ絶縁型設計では、最大でも91～93％程度にとどまることが多いです。 高電力用途では、損失となる1ワットごとに管理すべき熱が発生するため、この差は重要です。

保護機能と信頼性に関する検討事項

48Vから24Vへのコンバーターは、過酷な環境下で使用されます。産業用車両では振動、温度変化、粉塵にさらされます。船舶用の設置環境では塩害や湿度が問題となります。通信機器用キャビネットは、砂漠のような高温から凍結雨に至るまで、屋外の多様な気象条件下に設置されます。

コンバーターに内蔵された保護機能によって、こうした過酷な環境下でも正常に動作し続けるかどうかが決まります。短絡保護は必須であり、出力側の異常がコンバーター自体や上流の電源を停止させることのないよう配慮しなければなりません。過負荷保護は、コンバーターが定格を超える電流を無理に供給しようとするのを防ぎ、過熱および最終的な故障を未然に防止します。入力側の低電圧保護は、バッテリーの放電が進行して主システムの動作不能に至るのを防ぎます。 .

環境密封も同様に重要です。IP67等級のコンバータは、粉塵の侵入や一時的な浸水に耐えることができ、屋外や洗浄作業が行われる環境での使用に適しています 要求がそれほど厳しくない用途では、IP65でも十分な場合があります。保護等級は、カタログで目立つスペックではなく、実際の使用環境に応じて選ぶ必要があります。

また、入力電圧範囲についても考慮が必要です。48Vシステムは常に48Vであるとは限りません。充電中には定格電圧を大幅に上回る場合があり、高負荷放電時には大きく低下することもあります。入力範囲が狭いコンバータは、実験室内では問題なく動作しても、実運用時にバッテリー電圧の変動により故障する可能性があります。広範囲入力設計（例：36～75V、あるいは30～90V）なら、実際の使用条件に応じた余裕を持たせることができます .

現場事例：米国中西部の倉庫における改修工事

数年前、中西部の物流施設でまさにこのような問題が発生しました。同施設では、電動フォークリフトの車両を最近、新しい48Vモデルに一新していました。新車両の性能は良好でしたが、既存の24V充電設備および補助電源インフラとは互換性がありませんでした。施設は24V用バッテリーチャージャーや診断ツール、スペアパーツ在庫などに多額の投資を行っており、これらをすべて交換するのは非常にコストがかかることが予想されました。

この課題の解決策は、24Vインフラを全面的に撤去することではありませんでした。代わりに、チームは各充電ステーションおよび補助電源分配盤に48Vから24Vへの降圧コンバーターを設置しました。これらのコンバーターは、48Vの電源バスから安定した24V出力を供給し、既存のチャージャーや診断機器を改造することなく引き続き使用できるようにしました。変換効率は十分なものであり、目立つほど優れてはいませんでしたが、当該運用条件には十分対応できました。

その後の18か月間、この施設ではコンバータの性能データが記録されました。最も耐久性が高かったのは、入力電圧範囲が広く、適切な熱管理が施された機種でした。通気性のよいキャビネットに設置された機器は、密閉されて空気の流れがない狭い空間に詰め込まれた機器よりも長寿命でした。この教訓は特定のブランドやモデルに関するものではなく、コンバータの仕様を実際の設置環境に適切に合わせることの重要性を示すものでした。

効率：数字が本当に語るもの

効率に関する宣伝文句は、批判的な目で読み解く必要があります。多くのデータシートには、特定の入力電圧・出力負荷・温度におけるピーク効率が記載されていますが、こうした条件は実際の運用状況と一致することはほとんどありません。

ピーク効率と平均効率の差こそが、実際の運用コストを左右します。定格負荷時に97％の効率を達成するコンバータでも、軽負荷時には89％まで低下することがあります。そして多くのシステムは、大部分の時間を部分負荷で動作しています。したがって、データシート表紙に記載された単一の数値よりも、効率曲線の形状の方が重要です。

熱性能も、効率という数値単独では表れないもう一つの重要な要素です。92％の効率で動作するコンバータは、入力電力の8％を熱として放散します。出力が2000Wの場合、これは160Wの熱であり、何らかの形で放熱する必要があります。 筐体がこの熱を十分に放散できない場合、内部温度が上昇し、部品の寿命が短縮されるだけでなく、温度上昇による抵抗増加により、効率がさらに低下します。

戦略を実行に移す

48Vから24Vへの変換戦略を実施する際、市販のコンバータを単に選ぶだけでは十分ではありません。バッテリーが実際に供給する電圧範囲、コンバータが負担する負荷の特性、設置環境、および故障を引き起こす可能性のある要因——これらすべてを包括的に理解することが不可欠です。

まず入力電圧範囲から始めます。充電中、放電中、待機中のあらゆる運用条件下で、バッテリーの実際の電圧を測定してください。その測定値に余裕を持たせた範囲をカバーできるコンバータを選定します。

次に負荷を検討します。ピーク電流はどの程度か、平均電流はどれほどか、また負荷変動の頻度はどのくらいか——これらを把握しましょう。ピーク電流に合わせてサイズ選定したコンバータは、低負荷時に効率が悪くなります。逆に平均電流に基づいて選定したものは、ピーク時に性能が不足します。最適な選択は、この中間地点にあり、一時的な過負荷にも対応できる余裕を持ちつつ、通常運用時の効率低下を招かないよう配慮されたものになります。

最後に、設置について検討してください。コンバーターには十分な換気スペースを確保し、熱源から離して設置してください。環境によっては、湿気からも保護する必要があります。優れたコンバーターでも、不適切に設置すれば、まじめに選定・設置された平均的なコンバーターよりも早く故障します。

深セン・ウェンガオ電子有限公司（Shenzhen Wengao Electronic Co., Ltd.）は、出力電流5A～85Aに対応する48Vから24Vへの降圧コンバーターを幅広く製造しています。絶縁型および非絶縁型の両タイプをご用意しています。 同社の製品ラインアップは、通信機器や産業用制御装置、物流機器、商用車両など、過酷な環境下で信頼性の高い電圧変換を必要とする多様な用途に対応しています。