効率的でコンパクトな電子機器の需要が高まるにつれて、スイッチング電源は急速に進化しています。この記事では、この技術の主な進歩、用途、市場への影響について詳しく説明し、効率や出力電圧などの重要なパラメータに基づいて適切な電源を選択するための重要なヒントも紹介します。
目次
スイッチング電源入門
市場規模と成長ポイント
注目すべき共通カテゴリとパラメータ
最新の開発
まとめ
スイッチング電源入門
携帯電話の登場以前、パーソナルコンピュータの開発において、リニア電源からスイッチング電源への革命が起こりました。コンピュータ（PC）自体を理解している人は多く、そのプロセッサモデルやメモリサイズも知っています。しかし、電源については何も知らない人もいるかもしれません。最も初期のPCSでは、リニア電源が使用されていました。
わずか数十年の間に、スイッチング電源技術は大きく変わり、その背後には半導体デバイスの大きな進歩がありました。現代の電力技術は、次の方向に発展しています。
- 緑化
- 小型化
- モジュール化
- インテリジェンス
- モジュール化とインテリジェンス
- デジタル化と多様化
低消費電力、低汚染、低電流、高効率、高集積という特徴が徐々に主流になり、電源技術も電子部品と集積回路の開発に依存しています。新しいスイッチング電源は、電源スイッチチューブとさまざまな出力保護モジュールを統合し、さらに体積を削減します。
市場規模と成長ポイント
による 衡州成石調査統計2022年の世界スイッチング電源市場規模は約29.56億米ドルです。今後も安定した成長傾向を維持すると予想され、市場規模は46.72年までに2032億米ドルに近づき、予測期間中の年平均成長率（CAGR）は4.7％になります。
世界のスイッチング電源の主要メーカーは、DELTA、Lite-On Technology、Salcomp、Coselなどです。世界のトップ20メーカーは、市場シェアの約XNUMX％を占めています。世界のスイッチング電源市場は、近年着実な成長を見せています。
この成長は主に、電子機器の小型化、効率化、インテリジェンス化のニーズと、再生可能エネルギーシステムや電気自動車などの新興分野の急速な発展によるものです。
スイッチング電源市場は、IoT、5G通信、人工知能などの技術の普及により、今後数年間も拡大し続けると予想されています。
注目すべき共通カテゴリとパラメータ
スイッチング電源を完全に理解するには、まずその電気的パラメータ、アプリケーションの制限、および関連指標を調べて、その全体像を分析して理解する必要があります。この方法により、使用または調達のニーズに対して正確で専門的なサポートが提供されます。理解を深めるための例を次に示します。
スイッチング電源の電気的パラメータ
入力電圧範囲
スイッチング電源は、入力電圧の最小値と最大値を受け入れます。この範囲は通常、電源の設計とアプリケーション環境によって異なります。AC の場合、入力電圧の範囲は 85 ～ 264 V です。
出力電圧
電圧はスイッチング電源から負荷に供給されます。負荷の要求 (12V) に合わせます。
出力電流
通常動作時にスイッチング電源から負荷に供給される電流値。(20A)
変換効率
スイッチング電源が入力電源からのエネルギーを出力電源からのエネルギーに変換する効率。変換効率が高いほど、エネルギー損失が少なくなり、電源の発熱も低くなります (> 85%)。
周波数
スイッチング電源が入力電圧を出力電圧に変換する速度。通常はキロヘルツ (kHz) で表されます。周波数が高くなるほどスイッチング損失は小さくなりますが、スイッチング電源の設計の難しさやコストも増加します (60K – 90KHZ)。
波紋とノイズ
出力電圧における望ましくない小さな変動（リップル）と高周波ノイズ。機器の性能に影響を及ぼす可能性があるため、精密電子機器では特に重要です（<80MV）。
冷却方法： 空冷
保護機能
過電流保護 (OCP)、過電圧保護 (OVP)、過熱保護 (OTP)、短絡保護 (SCP) などの機能を備えており、電源および負荷機器を損傷から保護します。
スイッチング電源関連のアプリケーション制限パラメータ
負荷容量
スイッチング電源がサポートできる負荷の最大電力または電流。この制限を超えると、電源が過熱したり損傷したりする可能性があります。
安全認証
スイッチング電源は、UL、CE、RoHS などの安全規格と認証に準拠する必要があります。これらの認証により、電源の安全性と環境保護が保証されます。
非常に多くのパラメータにより、スイッチング電源の種類も相当数形成されます。たとえば、
動作原理による分類
パルス幅変調（PWM）スイッチング電源： 出力電圧はスイッチング素子のオン時間（パルス幅）を調整することで制御されます。
パルス周波数変調（PFM）スイッチング電源： 出力電圧はスイッチング素子の周波数を調整することによって制御されます。
ハイブリッドスイッチング電源： PWM と PFM の両方のテクノロジの特性を組み合わせます。
共振スイッチング電源： 共振回路を使用してスイッチング動作を実現します。通常、スイッチング コンポーネントはゼロ電圧またはゼロ電流の条件下で動作します。
トポロジーによる分類
フォワードコンバータ: 入力電圧は出力電圧に直接変換され、降圧変換によく使用されます。
逆コンバーター: 入力電圧は出力電圧よりも低く、ブースト変換によく使用されます。
プッシュプルコンバータ: 2 つのスイッチング要素を交互に使用して、効率と出力電力を向上させます。
フルブリッジコンバータ: 高電力アプリケーション向けに 4 つのスイッチング要素を使用します。
ハーフブリッジコンバータ: 中電力アプリケーションには 2 つのスイッチング要素を使用します。
シングルチューブコンバーター： 低電力アプリケーション向けに単一のスイッチング要素を使用します。
応用分野による分類
産業用スイッチング電源: 高い信頼性と安定性が求められる産業オートメーション、通信機器などに適しています。
商用グレードのスイッチング電源: より優れた性能と使いやすさが求められる商業ビル、オフィス機器などに適しています。
民生用スイッチング電源: 小型・低コストが求められる家電製品、パソコンなどに適しています。
医療グレードスイッチング電源: 厳格な電磁両立性および安全基準を必要とする医療機器に適しています。
その他の電源の分類
通信電源: 通信システム等で使用されるDC/DCコンバータ型電源。
特殊電源： 高電圧低電流電源、大電流電源、400Hz入力AC/DC電源など。
最新の開発
スイッチング周波数は現在、MHz レベルに達しています。20 年代に 1970 kHz の壁を突破して以来、技術の進歩によりスイッチング周波数は 500 kHz から 1 MHz の範囲にまで達しています。理論的にはスイッチング損失をゼロにまで低減するソフト スイッチング技術は、大きな発展と応用が見られてきました。
主要な回路設計には、擬似共振回路、ゼロスイッチング PWM 回路、ゼロ変換 PWM 回路などがあります。成熟した注目すべき技術には、アクティブ クランプ ZVS とフルブリッジ位相シフト ZVS ソフト スイッチングがあり、どちらも 90% を超える効率を実現できます。
スイッチング技術の出現は、ハードスイッチングに影を落としていません。むしろ、この 2 つを組み合わせることで、この分野に新たな息吹が吹き込まれました。ゼロ電流遷移 (ZCT) 技術とゼロ電圧遷移 (ZVT) 技術は、ソフトスイッチングの低スイッチング損失、高周波数、省エネの利点と、ハードスイッチングのフィルタリングおよび電流処理の利点を融合しています。
同期整流技術により、スイッチング電源の効率も大幅に向上します。
整流用のダイオードの代わりに低抵抗 (3 mΩ 未満) の MOSFET を使用することで、コントローラはゲート駆動信号を整流電圧と同期させ、整流損失を最小限に抑えます。この方法は、低電圧、高電流の電力コンバータに特に効果的です。
デジタル技術は、外部キーボードや液晶ディスプレイなどのインターフェースを通じて人間と機械の相互作用を容易にすることで、製品のパフォーマンスを向上させます。RS485、RS232、CAN バスなどのインターフェースを介してホスト コンピューターとのデータ通信が可能になり、テレメトリとリモート コントロールが可能になります。デジタル電源は、ネットワーク インターフェースを介してオンライン メンテナンス、セルフテスト、アップグレードもサポートし、信頼性と寿命を大幅に向上させます。
電源回路およびシステムのモジュール化により、設計者はさまざまな機能モジュールを柔軟に使用できるようになり、品質が向上します。これにより、製造効率が向上し、コストとサイズが削減され、信頼性が向上します。
メーカーは、PFC、ZVS、ZCS、PWM、並列電流共有、位相シフトフルブリッジ制御などの制御機能を専用チップに統合しています。電源スイッチデバイス、制御、駆動、保護、検出などの回路を1つのモジュールにパッケージ化することで、制御、パワー半導体デバイス、情報伝送機能を統合できます。
まとめ
つまり、スイッチング電源は現代の電子機器に欠かせない部品であり、重要な役割と利点を持っています。今後の科学技術の発展において、スイッチング電源は高性能、高効率、高安定性、信頼性の面で電子機器のニーズを満たすために開発と改良が続けられるでしょう。
