直流グリッド（DCグリッド）向けホールドアップ解決策
アプリケーション背景と電圧変動シナリオ
バッテリー駆動システムにおいて、「供給電圧は満充電から放電終止までの間でしか変動しない」と考えられがちですが、これは小規模でシンプルなシステムに限られます。例えば、一般的な自動車の12V電源であっても、エンジン始動（クランキング）時には9V以下まで瞬時に低下するほか、エンジン動作中にバッテリーが外れた場合（ロードダンプ）には60Vを超えるサージ電圧が発生します。特に、多数の動的負荷やコネクタ、長距離配線が混在する鉄道車両や、DC駆動のロボット制御システムといった複雑なインフラ・設備においては、さらに深刻な電圧変動や大きな電圧降下（ボルテージドロップ）が頻繁に発生します。
鉄道規格「EN 50155」に基づく電圧許容範囲
図1に示す通り、鉄道規格の世界的基準である「EN 50155」では、動作電圧範囲として0.6 x Un から1.4 x Un までが規定されています。さらに実際の運用面では、列車の編成規模や導入される国・地域などの様々な要因によって、ベースとなるバッテリーシステムの電源電圧自体も異なってきます。
図1：鉄道アプリケーションにおける公称電圧と許容差に関するEN 50155の規定
DC送電ラインで短絡（ショート）が発生した場合、ヒューズの溶断や遮断器（サーキットブレーカー）が作動して遮断されるまでの間、供給電圧は一時的にゼロまでドロップします。そのため、多くの鉄道システムにおいて「EN 50155」規格では、10ms（S2クラス）または20ms（S3クラス）の電源瞬停（電圧中断）が発生しても、システムが停止することなく正常に動作し続ける（連続動作）ことが要求されています（図2参照）。
図2：EN 50155が規定する電源瞬停（電圧中断）クラス（Un ＝ 公称供給電圧、図1参照）
電源瞬停と連続動作への要求事項
DCグリッドやサードレール（第三軌条）方式を採用するその他のアプリケーションにおいても、鉄道車両と同様に電源の瞬停（電圧中断）が発生する可能性があります。そのため、システム全体の安定した連続動作（連続稼働）を確保するための、ホールドアップ解決策（バックアップソリューション）が不可欠となります。
ホールドアップ電容の容量選定と従来方式の限界
電容（コンデンサ）に蓄えられるエネルギーは E = ½ C x U² で表されます。必要な電容容量を算出する際は、以下の計算式を使用します。
C：コンデンサ容量（F：ファラド）
Pout：出力負荷（W：ワット）
t ：要求されるホールドアップ時間（秒）
η ：コンバータの変換効率
Vnom：供給電圧（公称電圧）
VUVLO：UVLO（低電圧誤動作防止）しきい値電圧
そのため、多くのユーザーは最もシンプルな解決策として、DC/DCコンバータの入力部に大容量コンデンサとダイオードを追加する手法を選択します。このダイオードは、電源瞬停（電圧中断）が発生した際に、コンデンサに蓄えられたエネルギーがシステム側へ逆流するのを防ぐ役割を果たします（図3参照）。
図3：大容量入力コンデンサとエネルギーの逆流を防ぐブロッキング・ダイオードで構成されたホールドアップ回路
ここで、以下の具体的なデータを用いて計算例を見てみましょう。 出力負荷：100W、コンバータ変換効率：88%、要求ホールドアップ時間：10ms、公称電圧：24V、UVLOしきい値電圧：12Vの場合：
※重要事項：
本計算式は、電解コンデンサの許容差（公差）および経年劣化を考慮していません。実際のコンデンサ選定においては、必ずこれらの要因を考慮に入れてください。
鉄道車両の全電圧範囲（14.4V ～ 154V）に対応可能な電源を設計する場合、この電容（コンデンサ）には200Vの定格電圧が要求されます。一般的な680µF/200V電容のサイズは 22mm(Ø) × 55mm ですが、ここに一般的な容許差である -20% を考慮して計算すると、実に11個もの電容を並列接続する必要があります。
100Wコンバータの入力部に約6000µF以上もの容量を追加することは、安定動作や高速トランジェント保護のために通常推奨される容量（150 ～ 300µF）を大幅に超過することになります。そしてこれが、本方式におけるもう一つの深刻なデメリットを引き起こします。これほど大容量の電容を入力ラインに直接接続すると、より大きく、かつ時間の長い突入電流（インラッシュカレント）が発生してしまいます。アクティブな突入電流制限回路を追加しない限り、コネクタやスイッチの過負荷を招き、最悪の場合は遮断器（サーキットブレーカー）のトリップを引き起こす原因となります（図4参照）。
図4：DC/DCコンバータの入力部に大容量ホールドアップコンデンサを追加すると、突入電流（インラッシュカレント）が増大する
特許取得済み「Busピン」ホールドアップ・アーキテクチャ：突入電流の弊害なしに省スペース化を実現
P-DUKEは、突入電流を増大させることなく、かつ大幅なコンデンサの小型化によって20ms以上の電源瞬停をバックアップできる、特許取得済みのソリューションを開発しました。この技術は、極めて広い入力電圧範囲を持つDC/DCコンバータモジュールと、モジュール内部に統合された充電回路で構成されており、Bus（バス）ピンに接続された独立したホールドアップコンデンサを制御します（図5参照）
図5：P-DUKE独自の特許取得済みバックアップ回路の基本回路図
動作原理と主な設計上のメリット
本回路の詳細とメリットについて解説します。
これらモジュールの超ワイド入力電圧範囲は、14.4Vから154Vまで鉄道車両で想定されるすべての電圧をカバーしており、単一のモジュールで多種多様なアプリケーションに一角で対応可能です。
「Bus（バス）ピン」は、21.4Vの固定電力を供給し、外付けのホールドアップコンデンサを充電します。電源瞬停（電圧中断）が発生した際には、このコンデンサに蓄えられたエネルギーがD2（ダイオード）を経由してDC/DCコンバータの入力部へと供給され、動作を維持します。先ほどの計算例と同様の条件で、さらにD2における0.7Vの電圧降下（順方向電圧降下）を考慮して計算を行うと、必要となるコンデンサ容量は以下のようになります。
D2の電圧降下（順方向電圧降下）および電解コンデンサの許容差を補正するため、係数 k（1.3 ～ 1.5）を導入することで、
この計算式はさらに簡略化できます。計算結果自体は最初の例よりも大きくなりますが、Bus（バス）ピンの電圧は21.4Vに制限されているため、あらゆる入力電圧に対して定格電圧がわずか25Vのコンデンサを使用することができます。
一般的な6800µF/25Vコンデンサのサイズはわずか 16mm(Ø) × 40mm であり、-20%の許容差を考慮しても、必要な数量はわずか2個です。
これは、200V定格のコンデンサを11個使用していた最初の例と比較して、実質90%以上のボリューム（容積）削減に相当します。必要なコンデンサが2個だけで済むため、部材コスト（材料費）や製造コストの大幅な削減にも直結します。さらに、単一のソリューションで鉄道車両の全電圧範囲を完全にカバーできるため、さらなるコストダウン（コスト最適化）が実現します（図6参照）。
図6：単一のソリューションで鉄道車両の全電圧範囲をカバー
この特許取得済みの回路は、要求されるホールドアップコンデンサの大幅な小型化とコスト削減に加え、もう一つの極めて重要なメリットをもたらします。外付けするコンデンサがどのような容量（値）であっても、これらは入力ラインに直接接続されていないため、突入電流（インラッシュカレント）が増大することはありません。
その代わりに、コンデンサはモジュール内部に搭載された電流制限回路（限流回路）によって安全に充電されます（図7参照）。
図7：P-DUKEコンバータの「Busピン」にホールドアップコンデンサを追加した場合、突入電流（インラッシュカレント）は増大しない
P-DUKEのRCD10U-K、RCD20U-K、RED40U-KおよびQAEXXU-Kシリーズには、このBusピンが提供されています。また、QAEシリーズでは、ダイオード（D2）がすでにモジュール内に統合されています。
この特許回路の詳細や比較グラフ、最大コンデンサ容量については、P-DUKEのアプリケーションノートをご参照ください。
本特許回路の詳細、比較グラフ、および最大コンデンサ容量値（許容容量）については、P-DUKEのアプリケーションノートに掲載されています。また、ユーザーがより簡単にコンデンサの選定を行えるよう、同資料には簡略化されたホールドアップ容量（Chold-up）の計算式も用意されています。
これらの計算式には、あらかじめ許容差（公差）に加えて一定の安全マージンが組み込まれており、あらゆる条件下において要求されるホールドアップ時間を確実に達成（確保）できるよう設計されています。
図8：各製品シリーズにおけるホールドアップコンデンサの簡略化された計算例
アプリケーション事例（採用事例）
P-DUKEの特許取得済みソリューションを採用したことで、大幅な省スペース化とコスト削減を同時に実現した2つの具体的な事例をご紹介します。
事例1：鉄道車両用イーサネットスイッチ
当初、このお客様は40W、60W、100Wの出力電力を必要とする各種24V出力の鉄道車両用イーサネットスイッチに向けて、最もシンプルな電源構成を検討されていました。
入力電圧範囲は14.4Vから154Vに及び、すべての機器で「S3クラス（最低20msのホールドアップ時間）」の要求を満たす必要がありました。しかし、設置スペースが極めて限られていたため、コンバータの入力部に大容量のホールドアップコンデンサや、それに伴う突入電流制限回路を配置することは不可能な状況でした。
そこで、P-DUKEの「QAE40-72S24U-K」、「QAE60-72S24U-K」、「QAE100-72S24U-K」を採用したところ、ホールドアップコンデンサの占有スペースを最小限に抑える最適なソリューションが見出されました。さらに大きなメリットとして、
すべてのモジュールが同一の「1/4ブリック（¼ Brick）」サイズであるため、すべてのコンデンサバリエーションに対応した単一の基板（PCB）レイアウトを共通化して使用することが可能となりました。必要とされる電力に応じて、適切なモジュールとコンデンサを同一基板上に実装するだけで対応できます（図9参照）。
図9：3つの異なる要求電力をカバーする、最終的なイーサネットスイッチ向け電源ソリューション
事例2：鉄道車両用マイコンボード向け電源
大幅な省スペース化とコスト削減効果が実証されたため、
このお客様は5V/20Wの出力を必要とするマイクロコントローラ（マイコン）ボードの電源構成についても再設計（リデザイン）を行いました。
ここで採用されたP-DUKEの「RCD20-72S05U-K」にも、ホールドアップコンデンサを充電するためのBusピンが標準搭載されていますが、モジュール自体のサイズが極めて小型であるため、内部にダイオード（D2）を統合（内蔵）する十分なスペースがありません（図10参照）。
図10：RCD20-72S05U-Kを採用したマイコンボード向け電源構成
今後、CPUボード、制御基板、あるいはディスプレイ基板向けに別の供給電圧が必要となった場合でも、ユーザーはモジュールを変更するだけで、最大24Vまでの単一出力（シングル出力）または2重出力（デュアル出力）の電圧を簡単に取得できます。
事例3：スマートファクトリー向けロボット制御システム
前述の通り、長時間の電源瞬停（電圧中断）に直面するのは鉄道アプリケーションに限定されません。本事例では、スマートファクトリー向けロボットの制御システムを設計されているお客様から、P-DUKEに対して以下のような要求仕様（要件）のご相談をいただきました。
- 入力電圧：24Vdc（18 ～ 36V）または 48Vdc（36 ～ 72V）、最大10msの電源瞬停に対応
- 出力：12V / 60W
- サイズ（設置スペース限制）が本設計における極めて重要な要素
このお客様は、当初「RED60」シリーズから2種類のコンバータ（24V入力電圧用には「RED60-24S12W」、48V入力電圧用には「RED60-48S12W」）を採用し、さらにモジュールの入力部に大容量コンデンサを追加する構成を計画されていました。
そこでP-DUKEは、広い入力電圧範囲と「Busピン」オプションを備えた「QAE60-XXXXU-K」シリーズのモジュールを採用するソリューションを提案しました。この製品ファミリーには、36V公称（9 ～ 75V）と72V公称（14 ～ 160V）の2つの公称入力電圧モデルがラインナップされています。
入力電圧範囲が9 ～ 75Vである36V公称モジュールを選択することで、本アプリケーションにおけるすべての供給電圧範囲を完全にカバーすることができます。このモジュールの最大の強みは、最低9Vまでの低電圧動作に対応している点です（計算式には 8.1V のUVLOしきい値電圧が組み込まれています）。
72V公称入力モジュールの最低電圧である14Vと比較すると、コンデンサ容量計算に対してより大きなマージンを提供します。
これは、ホールドアップ容量（Chold-up）計算表における乗算係数（マルチプリケーション・ファクター）が、より小さな値として反映されることからも裏付けられます。
下表は各オプションにおけるコンデンサの容量値を示していますが、
予想通り、「QAE60-36S12U」を採用した場合に、コンデンサ容量およびソリューション全体のサイズを最も小さく（最小に）抑えられることが分かります。
図11：各種DC/DCコンバータモデルにおけるホールドアップコンデンサの比較
前述の事例と同様に、単一のモジュールと1つのコンデンサのみを用いることで、両方の電圧範囲を完全にカバーするソリューションが実現しました（図12参照）。これにより、本体のサイズ削減（省スペース化）にとどまらず、製造コストや物流（ロジスティクス）コストの大幅な削減も達成しています。
図12：24Vおよび48Vの供給電圧をカバーし、10msのホールドアップ時間を実現するロボットコントローラ向けソリューション
結論
P-DUKEの特許取得済み回路を採用することで、突入電流（インラッシュカレント）の増大、遮断器（サーキットブレーカー）のトリップ、あるいはケーブルやコネクタへの過負荷といったリスクを一切排除しながら、20ms以上の長時間のホールドアップ時間を確実に達成することが可能になります。
定格25Vのコンデンサと、超ワイド入力電圧範囲を備えた単一のDC/DCコンバータモジュールを組み合わせるだけで、鉄道車両、産業機器、通信分野におけるあらゆる公称入力電圧を完全にカバーできます。
本稿でご紹介した内容は、基本原理と3つの代表的なアプリケーション事例にすぎません。お客様のシステムに最適なソリューションを構築するために――個別のご要望に応じた最適な技術サポートをご提供いたしますので、ぜひ今すぐP-DUKEのアプリケーションエンジニアリングチームまでお気軽にお問い合わせください。
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