ユーザーシステムにおける電源の並列運転

システム設計において、1台の電源から得られる以上の電力を得るため、あるいはシステムの冗長性（バックアップ）を確保するために、電源ユニット（PSU）を並列に接続する必要がある場合があります。本稿では、電力増加および冗長システムの構築に使用できる並列接続の種類について説明します。

並列接続の種類

直接接続方式（Direct Connection Method）

一見すると最も簡単な方法は、ユーザーによる特別な設定なしに電源を直接接続することです。しかし実際には、電源間のわずかなパラメータ特性の違いにより、1台の電源の出力電圧がわずかに高くなり、その1台が全負荷電流を供給しようとして電流制限がかかり、最悪の場合はシャットダウンする可能性があります。熱の問題も発生し、寿命が短くなる原因となります。その後、次の電源が同様の挙動を繰り返します。

一部のPSUは妥当なレベルまで電流を共有するように設定できますが、適合性を確保するためにメーカーの仕様を確認する必要があります。

この方法は正確な電流バランス（シェアリング）を達成できず、安定性の維持が難しいため、最も推奨されない方法です。この方法を採用する場合は、以下の点を考慮してください。

1. 特性が極めて近い、同一の電源を使用すること。
2. 定電流制限機能（フカセ、ヒカップ、またはラッチング電流制限特性）を持つユニットを選択すること。これらは誤動作やシャットダウンを招く可能性があります。
3. 各電源の出力電圧をできるだけ近づけて調整すること（数mV以内）。多回転調整用ポテンショメータを備えた電源を選択してください。単回転では十分な分解能と精度が得られない場合があります。
4. 負荷に接続される各電源の配線の長さとゲージは、可能な限り同じにする必要があります。デイジーチェーン接続は行わないでください。
5. 電圧設定の精度は時間の経過とともに温度によってドリフトする可能性があります。温度差を最小限に抑えるため、電源はまとめて配置する必要があります。
6. 電源の最大合計出力電力を「(N台 × 80%) × 定格電力」未満で運用することを推奨します。例えば、120W のPSUを2台並列にする場合、推奨される合計出力電力は (2 x 120W) x 0.8 = 192W となります。

Fig-1. Direct Connection Method (1+1)

パッシブまたはアクティブな電流共有（カレントシェア）は、高出力および冗長用途の両方でバランスの取れた負荷を達成するために好まれる手法です。

1. パッシブ・カレントシェア（Passive Current Share）



ドロップモード（パッシブモード）シェアリングは、単一電源に比べて電圧安定度の低下を許容できる用途で使用できる、シンプルで実用的な方法です。通常、モーター、リレー、ソレノイド、PLC、DC-DCコンバータなどに電力を供給する 12V、24V、48Vのユニットで使用されます。3




Vや 5Vで動作するロジック回路などの低電圧用途では、ドロップモードの電圧変動を許容できない場合があり、アクティブ・カレントシェアの方が適しています。




一部のメーカーは、セレクタスイッチやジャンパー接続で有効にできる、ドロップ機能を備えた製品を提供しています。




ドロップモードでは、電源に内蔵された電圧降下機能により、電流の増加に伴って出力電圧が低下（ドロップ）します。電圧降下量はモデルによって異なりますが、通常、無負荷から全負荷までで 2.5% から 5%の範囲です。




各電源の出力電圧設定は、無負荷時に可能な限り一致するように調整する必要があります。実際には、1つのユニットが常にわずかに高くなり、電圧が2番目のユニットと一致するまでそのユニットが負荷電流を供給し始め、その後シェアリングが開始されます。




最適なパフォーマンスを得るには、前述の「直接接続方式」で強調したように、同一ユニットの選択、精密な電圧設定、等長配線、およびユニット温度の維持といった注意点を遵守する必要があります。60:40 以上のシェアリング精度を達成可能です。



2. アクティブ・カレントシェア（Active Current Share）



この手法は、接続された内部制御回路（カレントシェア・ワイヤ）を使用します。これにより、各電源の出力電圧の正確な同期が保証され、負荷が均等に分割されます。カレントシェアリング機能との干渉のリスクを防ぐため、長いケーブル長は避ける必要があります。

Fig-2: Active Current Sharing (1+1)

システムの冗長性（System Redundancy）

冗長運転の考え方は、同じ負荷に電力を供給するために、より多くのPSUを利用することです。これにより、1台のPSUが故障した場合でも、継続的な電力供給のために全負荷を他のPSUに移すことができます。この方法は、システムの稼働時間が極めて重要な用途で利用されます。真の冗長性を確保するには、各電源に個別のAC入力、またはバッテリーや発電機によるバックアップ電源を用意する必要があります。

冗長運転の場合、PSUはORingダイオード/FET、または冗長モジュールを介して分離する必要があります。これにより、いずれかの電源で出力故障が発生した場合に、逆電流が流れるのを防ぎます。エンドシステムの統合要件に応じて、さまざまなPSUタイプを選択できます。PSUモデルに応じて、アクティブまたはパッシブな電流共有を展開できます。

ホットスワップ（活線挿抜）対応の電源には、内部にORingダイオードまたはMOSFETが含まれており、故障したPSUの交換やシステムの統合を簡素化します。

一部の組込型（シャーシマウント）電源シリーズには、ダイオード/MOSFETを内蔵したモデルが用意されています。この機能を備えていないPSUでも、外部にダイオードやMOSFETを追加して使用できますが、追加の外部制御回路が必要になる場合があります。専用ICを利用して実装を簡素化することも可能です。ただし、その回路自体が単一故障点（シングルポイントオブフェイリア）になる可能性があります。

Fig-3: With Redundancy Module (1+1)

用途に応じて、冗長モードは「1+1」または「N+1」タイプにできます。

電力損失を最小限に抑えるために、ショットキーバリアダイオードを選択してください。これらは順方向電圧降下が低いためです（標準的なシリコンダイオードの 0.7Vに対して、通常 0.15 - 0.45V。電圧降下は温度とともに増加するため、ヒートシンクによる適切な熱管理が必要になります。デバイスの温度上昇を抑え、信頼性を高めるために、ORingダイオードの電流定格は最大出力負荷電流の少なくとも2倍、逆耐圧定格はPSU出力電圧の2倍以上にすべきです。

より大電流の用途では、ダイオードによる電力損失が許容できない場合があります。代替案として、理想ダイオードとして構成されたMOSFETを使用する方法があります。これらは順方向電圧降下が非常に低く、電力消費を大幅に抑えられます。適合するドライバーICが一般的に入手可能です。

Fig-4: With ORing Diodes (N+1)

アクティブ・カレントシェアをサポートするデルタの標準電源

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