48Vの電源電圧がシステム・レベルのアプリケーションにもたらすメリット

概要

技術の世界では、常に変化が生じています。現在は、効率と信頼性に優れる電源ソリューションが強く求められている状況にあります。そうしたなか、48Vの電源電圧が大きな注目を集めるようになりました。48Vという電圧レベルは革新的なものには感じられないかもしれません。しかし、48Vというのは非常に重要な電圧であり、多くのメリットをもたらしてくれます。そのため、産業、車載、通信といった分野のシステム・レベルのアプリケーションでは、48Vの電源電圧を使用するケースが増えています。本稿では、具体的なアプリケーションの例を示すことで、48Vの電源電圧によってどのようなメリットが得られるのかを明らかにします。

はじめに

48Vの電源電圧は、様々なアプリケーションにおいてより重要なものになっています。48Vの電源電圧を採用すれば、高い汎用性と既存のインフラとの互換性が得られるからです。これまでの歴史を振り返ってみると、電力分配システムは12Vまたは24Vという標準的な電圧レベルに強く依存していました。しかし、最近のデバイスや電子機器では、電力に関する要件がより厳しくなっています。特に、より効率的なシステムを実現し、エネルギーに関する経済性を高めることが強く求められています。その結果、48Vをはじめとするより高い電源電圧が使用されるようになりました。

実際、エネルギー効率の高いソリューションに対する需要は高まるばかりです。そうした傾向は、膨大な数のスーパーコンピュータによって大量の電力が消費されるデータ・センターなどで顕著です。48Vの電源電圧は、伝送時の効率と変換時に生じる損失の間の魅力的な妥協点になります。電源電圧を高めれば、電力の分配に伴う損失が減少します。その結果、トータルのエネルギー消費量を抑えることが可能になります。

48Vの電源電圧は、車載分野にとっても魅力的な選択肢となります。特に、電気自動車 (EV) では、48Vの電源電圧を採用することで大きなメリットが得られます。EVには、より高度な機能や電動サブシステムが続々と追加されています。それに伴い、より電力効率の高いソリューションが強く求められるようになりました。例えば、48Vの電源電圧をベースとするアーキテクチャ（以下、48Vのアーキテクチャ）を採用すれば、回生ブレーキによるエネルギーの回収効率が改善されます。また、電動パワーステアリングやADAS（Advanced Driver-assistance System）といった多くの電力を必要とするコンポーネントの統合が容易になります。

48Vの電源電圧がもたらすメリット

48Vの電源電圧は様々なメリットをもたらします。例えば、効率が向上する、設計上の選択肢が広がるといった具合です。なかでも、主要なメリットとしては以下のようなものが挙げられます。

• I²Rによる損失の低減：
  
  
  • 電力の分配を担うシステムでは、抵抗によって生じる損失（I²R 損失）が効率に大きな影響を及ぼす可能性があります。低電圧で動作するシステムと比較すると、48V の電源電圧を使用するシステムでは、特定の電力レベルにおける電流の量が少なくなります。そのため、電力の伝送に伴うI2R損失が減少し、システム全体の効率が向上します。
• 電力密度の向上：
  
  
  • 低電圧で動作するシステムと比較すると、48Vの電源電圧を使用するシステムでは、同じレベルの電力を伝送する際、より小さい導体やコンポーネントを使用できます。つまり、電力密度が向上するということになります。特にスペースが限られているアプリケーションでは、よりコンパクトな設計が可能になることが大きなメリットになります。
• 電圧のレギュレーションの改善：
  
  
  • 電圧レベルが高ければ、電圧のレギュレート性能が向上します。これは、変動に対して敏感なアプリケーションにとっては非常に重要なことです。産業用のオートメーション・システムや通信システムでは、適切にレギュレートされ、安定した電圧レベルが求められます。それにより、信頼性の高い動作を維持することが可能になります。
• 設計の柔軟性：
  
  
  • 48Vの電源電圧を採用すれば、設計上の選択肢が増えます。電圧についての要件が異なる数多くのサブシステムを統合できるからです。例えば、モータ、センサー、通信インターフェースがすべて同じシステム内に共存できることになります。
• 再生可能エネルギーとの親和性：
  
  
  • 48Vの電源電圧は、再生可能エネルギーを活用するシステムとの親和性が高いと言えます。例えば、太陽光発電パネルの中には48Vの電圧を出力するものがあります。このような互換性を備える再生可能エネルギー源であれば、電力システムに容易に組み込めます。

48Vを使用する電源システムの実装方法

48Vの電源電圧がもたらすメリットを十分に享受するためには、電源回路を実装する際、いくつかの事柄について配慮する必要があります。産業分野や通信分野のアプリケーションあるいはシステム・レベルのアプリケーションに向けて実装するという観点から、以下では基本的な事柄について確認しておきましょう。

効率的な電圧変換

48Vの電源電圧は既に普及しつつあります。ただ、すべてのデバイスやコンポーネントがこの電圧レベルを直接使用できるわけではありません。より低い電源電圧を必要とするサブシステムに対応するには、効率的な電圧変換の手段を導入する必要があります。具体的には、DC/DCコンバータなどを使用して、必要となる低い電圧を生成することになるでしょう（図1）。

熱管理

図2（上）は、BBU（Battery Backup Unit）モジュールで生じる熱の様子を示したものです。図2（下）には、1/4ブリックのリファレンス設計の外観を示しました。この種のコンポーネントでは、電圧レベルが高いと、発熱量が多くなる可能性があります。したがって、48Vに対応するコンポーネントの寿命と信頼性を確保するための熱管理の手法が重要になります。ヒート・シンク、ファンの利用を検討したり、熱設計について十分に配慮したりする必要があります。

安全性を確保するための対策

あらゆる電気システムにおいて、安全性の確保は最も重要な要件です。48Vというのは突出して高い電圧だというわけではありません。しかし、電気的な故障に関連するリスクを回避するためには、保護用の回路、絶縁バリア、グラウンディングなどの面で安全性を確保するための適切な対策（安全対策）を施す必要があります。図3に示したのは絶縁バリアによる対策の一例です。このアプリケーションでは、48V系の回路と12V系の回路の間にガルバニック絶縁を適用しています。例えば、絶縁機能を備えるRS-485対応トランシーバー「ADM2561E」を使用することにより、BBUモジュールとBBUシェルフの間でModbus^®による絶縁型の通信を実現できます。

通信プロトコル

産業アプリケーションや通信アプリケーションでは、相互運用性が重要になります。そのため、標準化された通信プロトコルを採用し、それに対応する実装が行われます。結果として、48Vの電源電圧で動作するサブシステムの間でシームレスなデータ交換を実現することが可能になり、システム全体の効率が向上します。非営利組織であるOpen Compute Project（OCP）は、データ・センターに最適なアーキテクチャが導入されるよう継続的に取り組みを行っています。具体的には、整流器、BBU、ネットワーク、ストレージ、サーバから成る48Vのアーキテクチャ設計を提示しています（図4）。

監視と制御

最高のシステム性能を維持するためには、電圧レベル、電流、温度をリアルタイムで監視する必要があります。インテリジェントな制御システムを導入すれば、それらの要素をプロアクティブに管理できます。つまり、リアルタイムの調整をシームレスに適用することで、システムの障害を予測することが可能になります。それだけでなく、予防診断への道も開けるでしょう。結果として、従来にないレベルまでシステムの効率と信頼性を高められるはずです。

現実のアプリケーション

48Vの電源電圧は、様々な分野や技術領域で使用されています。以下では、その重要性を示すいくつかの実例を紹介することにします。

テレコム向けの電力システム

現在の社会は、通信ネットワークを基盤として成り立っています。そのネットワークは、信頼性が高く安定した電源に依存しています。48Vのアーキテクチャは、テレコム分野における信頼性と効率の基盤として登場し、同分野の電力システムの状況を一変させました（図5）。通信ネットワークは、世界規模で展開されています。それらのネットワークには、地域の違いや予期しない停電に耐えられる電力インフラが必要です。

48Vのアーキテクチャの真価は、地理的な制限を克服する能力にあるとも言えます。このアーキテクチャは、従来の電力インフラが存在しない場所にも、電力インフラが劣化している場所にも適用できます。遠く離れた場所や災害に見舞われた場所でも、その影響を受けません。問題の多い状況でも高い信頼性で電力を供給可能なインフラこそが、通信サービスのライフラインになります。48Vのアーキテクチャは、本質的に高い耐久性を備えています。そのため、通信サービスを最も必要としている孤立した人々に対しても接続を維持することが可能です。つまり、緊急時であっても重要な通信サービスを提供できるということです。また、接続性の向上を図れることから、非都市部の開発などを促進する役割も果たします。

産業用オートメーション分野の電気駆動機器

産業用オートメーションの分野では、精度と効率が非常に重要な意味を持ちます。その絶えず変化する環境では、48Vの電源電圧を基に多様かつ重要なコンポーネントに対して給電を実施することで、著しい成果が得られています。例えば、モータやベルト・コンベア、ロボット・アームなどが給電の対象になります。48Vの電源電圧は、電力密度を高める役割を果たしつつ、制御の基盤として機能します。また、完璧な動作を実現しながらエネルギー損失を低減します。つまり、48Vの電源電圧を採用すれば、産業用オートメーションの性能をこれまでにないレベルまで引き上げられるということです。

ハイブリッド型の電力システム

現在、ハイブリッド型の電力システムの導入が進んでいます。それにより、従来の電力網への接続が難しい非都市部をはじめ、オフグリッドの地域でもエネルギーを活用できるようになっています。ハイブリッド型の電力システムは、最先端に位置すると言えます。そうしたシステムは、再生可能エネルギー源（主に太陽光発電システム）と最新のエネルギー・ストレージ・システムをシームレスに組み合わせることで実現されています。それにより、信頼性が高くサステナブルなエネルギー・ソリューションとして機能します。その基盤にあるのは、48Vの電源電圧と太陽光発電システムからの出力電圧の互換性です。太陽光発電パネルによって供給されるエネルギーと様々なアプリケーションで生じる需要の間にはギャップが存在します。ハイブリッド型の電力システムを活用すれば、そのギャップを効率的に埋められます。

48Vの電源電圧は、太陽光発電パネルによって生成される電圧の範囲と完全にマッチしています。そのため、効率的なエネルギー変換と分配が可能です。この互換性により、エネルギーの損失、効率の低下、コストの上昇の主な原因となる高電圧の変換処理が不要になります。48Vのアーキテクチャを太陽光発電システムの出力電圧と正確にマッチングさせれば、エナジー・ハーベスティングの能力を最大化できます。また、損失を最小限に抑えて、太陽光発電システムによって生成した電力をシステムに直接伝送することが可能になります。

48Vの電源電圧と太陽光発電システムの出力電圧を揃えれば、ハイブリッド型の電力システムを配備する際の費用対効果が向上します。電圧変換のプロセスを簡素化できるので、高度かつ高価なコンポーネントが不要になり、設置／保守にかかるコストが低減されるということです。このようなコスト削減は、オフグリッドの地域社会や企業に対して大きな変化をもたらします。再生可能エネルギーが、経済的な意味でも実際に利用可能なものになるからです。

EV用のシステム

図6に示したのは、48Vの電源電圧を使用するEV用のシステムの構成例です。これは、多くのメリットをもたらす戦略的な構成として受け入れられています。図に示した電圧のパラダイムは、車両のサブシステム全体にわたって電力の分配方法を改善する上で重要な意味を持ちます。それだけでなく、48Vのアーキテクチャは、多くの新たな機能に対する有用な給電方法となります。そうした機能の例としては、ブレーキをかけている際にエネルギーを回収する回生ブレーキなどが挙げられます。また、図に示したような形で統合を図れば、乗車中の人に対して快適さと楽しさをもたらすために不可欠な多くの補助システムを導入できます。補助システムの例としては、高度なHVAC（暖房、換気、空調）システムや最先端のマルチメディア・システムなどが挙げられます。48Vのアーキテクチャは、EVの設計に対して包括的なアプローチを適用することを可能にします。エネルギーに関する経済性を向上させるだけでなく、運転に関するエクスペリエンスの改善にも貢献します。その改善は、電力の使用方法、リソースの管理方法、車内での快適さの提供方法を最適化することで実現されます。

考慮すべきデメリット

ここまでに説明したように、システム・レベルのアプリケーションで48Vの電源電圧を使用すれば様々なメリットが得られます。但し、48Vの電源電圧には潜在的な欠点も存在します。以下、理解しておくべきデメリットについて説明します。

コンポーネントの互換性と可用性

48Vの電源電圧への移行を図る際には、既存のシステム・コンポーネントについて慎重に評価しなければなりません。その結果、コンポーネントの変更や調整が必要になる可能性があります。これについては、いくつかの潜在的な問題が存在します。1つは、48V系のシステムで使用できるコンポーネント（互換性のあるコンポーネント）の種類が限られるというものです。それにより、調達コストが増大したり、システムの統合がスムーズに進まなくなったりする可能性があります。そのことも踏まえて戦略的な計画を立案し、コンポーネントの調達手段を確保しておくことが重要です（図7）。

設計の複雑さ

48Vの電源電圧を採用した場合、設計の複雑さに直面する時期が訪れることになるでしょう。通常、実装のフェーズでは、高い精度での電圧のレギュレート、徹底した熱管理の戦略、堅牢性の高い安全基準など、設計上の複雑な問題について慎重に検討しなければなりません。そうした複雑さの増大により、開発期間が長くなることが想定されます。また、より高度な技術スキルが必要になる可能性もあります。そうした問題を効率的に解消するためには、熟練度の高い設計チームをあらかじめ構成しておくことが重要です。

高電圧に関連するリスク

48Vというのは突出して高い電圧だというわけではありません。それでも、基本的な安全対策が適切に施されていない場合、問題が発生するおそれがあります。電圧のレベルが高ければ、感電をはじめとする危険な事象に遭遇する可能性が高まるからです。したがって、厳格な安全対策を適用しなければなりません。

変換に伴う損失の増大

通常のシステムでは、ICやセンサーなど、より低い電源電圧を必要とするコンポーネントを使用することになるでしょう。そうした低い電圧を得るためには、電力変換の処理が必要になります。その場合、追加された変換プロセスによって、システムで多くのエネルギー損失が生じる可能性があります。そうすると、48Vの電源電圧によって得られる効率向上の効果の一部が削がれてしまうことになります。

レガシー・システムに関する制約

レガシー・システムの中には、より低い電圧を使用するように設計されたものがあります。その場合、48Vの電源電圧への移行については現実的な観点からの評価が必要です。その結果、経済的な意味で対応が不可能なレベルの障壁に直面し、移行を進めるのは非現実的だという結論に達する可能性があります。既存のインフラを全面的に改修して48V系のシステムをサポートするためには、恐らく複雑かつ時間のかかる作業が伴うことになるでしょう。互換性と最適な性能を確保するためには、大規模な調整と戦略的な計画が必要になります。

サイズ／スペースの制約

48Vの電源電圧を使用すれば、電流レベルを低く抑えて電力密度を高めることができます。しかし、サイズ／スペースに関する制約が厳しいアプリケーションに対し、48Vの電源電圧が最適な選択肢にはならないケースもあります。例えば、絶縁機能を追加したり、安全対策を施したりすることに伴い、より大きなコンポーネントが必要になる可能性があるからです（図8）。

電磁干渉の増大

高い電圧レベルを使用すると、電磁干渉（EMI：Electromagnetic Interference）の増大という重大な問題が発生することがあります。そうすると、繊細なコンポーネントや複雑な通信ネットワークのスムーズな動作が妨げられてしまうかもしれません。したがって、EMIがもたらす悪影響を効果的に抑制／軽減し、主要なシステムの性能を継続的に維持する必要があります。そのためには、厳格な技術をベースとするフィルタやシールドなどを追加しなければならないでしょう。

スケーラビリティの問題

多くのアプリケーションでは、48Vの電源電圧を導入するのは合理的な選択となります。しかし、あらゆるケースに適したスケーラブルな選択肢であるとは限りません。非常に高い電力レベルを必要とするアプリケーションなど、特定のニーズを満たすために、代替となる電源を設計しなければならなくなる可能性があります。

コストについて考慮すべき事柄

48Vの電源電圧を採用する際には、初期コストについて慎重に検討する必要があります。コンポーネントの交換、システム開発における調整、重要な安全対策などに関連するコストが発生するからです。それにより、プロジェクト全体の予算に大きな影響が及ぶことがあります。影響の度合いは個々のアプリケーションや対象となる分野によって異なります。そのため、慎重な検討が必要になるということです。そうした潜在的なコストに対応するには、リソースを適切に割り当てなければなりません。スムーズな統合と最終的な成功を実現するには、そうした取り組みが重要になります。

まとめ

48Vの電源電圧は、ニッチな選択肢であった時期もありました。しかし、現在では産業や通信といった分野のシステム・レベルのアプリケーションにおける一般的な選択肢になりました。エネルギー効率の高いソリューションが強く求められるようになった結果、48Vの電源電圧の重要性が高まったということです。また、48Vの電源電圧は、効率／電力密度／設計の柔軟性の向上というメリットをもたらします。但し、48Vの電源電圧を採用して成功を収めるには、アプリケーションに様々な要素を導入しなければなりません。例えば、効果的な電力変換、厳格な熱管理、堅牢性の高い安全対策、標準化された通信プロトコル、高度な監視／制御システムなどが必要になるということです。技術的な環境が進化するにつれ、48Vの電源電圧は、複数の分野にわたるイノベーションを実現するための重要な要素になりました。それによって得られる効率と信頼性の向上は、より良い未来をもたらします。

システム設計者やアプリケーション・エンジニアには、システム・レベルのアプリケーションに48Vの電源電圧を適用するにあたり慎重に検討を進めることが求められます。その際には、48Vの電源電圧が抱える潜在的な欠点を認識することが重要です。特定のアプリケーションで48Vを採用するか否かを決定する際には十分な情報を得る必要があります。特に、コンポーネントの互換性、設計の複雑さ、安全対策、エネルギー変換に伴う損失、導入に関連するコストについて慎重に検討しなければなりません。

参考資料

¹ Brad Xiao、Nazzareno “Reno” Rossetti「Handling the 48-to-12-V Stepdown（48Vから12Vへの降圧処理）」Power Electronics Tips、2021年2月

² Christian Cruz、Gary Sapia、Marvin Neil Cabueñas「給電の中断を防ぐためのスマートなバッテリ・バックアップ　【Part1】電気設計と機械設計」Analog Dialogue、Vol. 57、No. 4、2023年12月

³ Anant Kamath「Simplify Isolated CAN, Power Interfaces for HEV 48-V Systems（HEVの48V系システムに適したシンプルな絶縁型CAN／電源インターフェース）」Electronic Design、2019年4月

⁴ Glenn Charest、Steve Mills、Loren Vorreiter「Open Rack V3 Base Specification（Open Rack V3の基本仕様）」Open Compute Project、2022年9月

⁵ 「Power Supplies for Telecom Systems（テレコム・システム向けの電源）」Analog Devices、2002年7月

⁶ 「48V Buck Converter Helps MHEVs Meet Fuel Emission Standards（MHEVの燃料排出基準の達成に貢献する48V対応の降圧コンバータ）」Analog Devices、2020年3月

⁷ 「Is It Essential to a Data Center? The Reasons Why a 48 V Power Supply Is Required and the Challenges of Power Supply Design（データセンターに必須？ 48V給電の理由と電源設計の課題）」Panasonic Industry、2021年8月

著者

Christian Cruz

Christian Cruzは、アナログ・デバイセズ（フィリピン）のプロダクト・アプリケーション・スタッフ・エンジニアです。2020年に入社しました。現在は、コンスーマ／クラウド・ベース・インフラストラクチャ事業部門やシステム通信アプリケーション向けのパワー・マネージメント・ソリューションを担当。14年間にわたり、パワー・マネージメント・ソリューションの開発、AC/DC電力変換、DC/DC電力変換などを含むパワー・エレクトロニクスの設計や電源制御用ファームウェアの設計に携わってきました。ザ・イースト大学（フィリピン マニラ）で電子工学の学士号を取得しています。