Technical Report
報文

高効率 AC-DC モジュールの製品化
Commercialization of high-efficiency AC-DC modules
西山利行＊

宮Toshiyuki Nishiyama

原隆

浩＊

宮田

Takahiro Miyahara

智弘＊

Tomohiro Miyata

宮崎伊佐夫＊＊

Isao Miyazaki

Abstract
We have developed and commercialized a high-efficiency and convection-cooling AC-DC converter module for asingle-phase ac input and 48-V dc output. The module adopts a three-phase LLC resonant converter beyond 99%
efficiency, even with Si superjunction MOSFETs, and the overall module efficiency still reaches 96% or more. We

can expand the variations of power supply products by combining the modules developed as a core technology formodular design.

Key words : AC-DC module, high efficiency, modular design, three-phase LLC resonant converter

1

はじめにトの変換効率 96% 超の高効率が得られた．本モジュールおよび AC-DC ユニットについて以下に報告する．

地球環境の保全として CO2 削減目標が定められ，２省エネルギー化や再生エネルギーの利用が進められている．データセンターや通信機器への電源供給には交流から直流に変換する直流電源設備 1 が使用されてお特徴開発したモジュールは，以下 3 つの特徴がある．

り，その損失低減が課題であり，研究開発が加速して①モジュール容量

ニ ッ ト と 呼 ぶ ）と蓄電池等で構成され，高効 率 の・強制空冷 48 V 35 A

・自然空冷 48 V 25 Aいる．直流電源設備は，整流装置（以下，AC-DC ユAC-DC ユニットの開発が急務である．

②仕様

・− 46 〜− 57.5 V と幅広い出力電圧範囲（＋極接地）

筆者らは三相マルチフェーズ LLC 電流共振コンバー
タ・最高効率 96% 以上（以下，三相 LLC コンバータと呼ぶ）を搭載し2,3た AC-DC モジュール（以下，モジュールと呼ぶ）を③汎用・拡張性・Modbus 通信による外部動作制御が可能製品化した．このモジュールは，直流出力 48 V 25 Aと直流出力 48 V 50 A の AC-DC ユニット製品へ展開

・信号端子の接続で電流バランスした冗長運転が可能
・外付け制御基板の追加とモジュールの組み合わせでした．三相 LLC コンバータを搭載することでユニッ電源システム開発本部

第二開発部

第二Ｇ

‌電源システム開発本部

第三開発部

第一Ｇ

＊ ‌
＊＊

© 2023 GS Yuasa International Ltd., All rights reserved.

多種の AC-DC ユニット開発が可能

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回路構成Sa図 1 に本モジュールの回路構成をブロック図で示す．

Lr

マイコン（MCU）で構成される．

DC-DC コンバータ回路には効率 99% 超の三相 LLC

Lm

Lrva

制御電源を作成している．PFC 回路では力率改善（高S̄a調波対応）を行い，入力電流を正弦波状にしている．

S̄bN（1−α)Cric
LmS̄cαCr

三相 LLC 回路では絶縁機能を持たせた電圧変換を行い，1 次マイコンでは起動や停止などのシーケンス制Vo（1−α)Crib

LrαCr

コンバータを採用している．STBY 回路では各回路のia

αCrvb

Vin

第1号

Lm

Phase cPhase a回路），DC-DC コンバータ回路，冗長回路（ORing 回

第 20 巻Scva

STBY 回路（制御電源回路），PFC 回路（力率改善路），1 次／ 2 次

Sb

Phase b３2023 年 6 月（1−α)Cr

図２ 三相 LLC 回路の構成図
Fig. 2 Three-phase LLC resonant converter configuration.

御，2 次マイコンでは外部機器との通信や出力電圧設定を行っている．モジュール同士の冗長運転を可能にするため，逆流防止機能を持つ冗長回路（ORing 回路）が出力端に設けられている．

ModulePrimary

Input

Filter

PFC

AC100V/AC200V

EMI

力率改善

４.2

図 3 に三相動作時と単相動作時の実際の共振電流

Secondary

DC-DC

ORing（三相 LLC）
絶縁冗長対応動作波形と効率特性波形を示す．各相が 120 度の位相差で電流バランス

Output（Main）
ｰ46 〜ｰ57.5Vout動作していることが分かる．三相／単相動作の切り替えも問題なく行われている．

Output

STBY
電源供給

1 次 MCU

2 次 MCU

シーケンス

通信（Sub）
12VoutOutputResonant current 2A/div

Resonant current 2A/div

3phase operation

1phase operation（Signal）･Modbus 通信･POWER GOOD
･Remote OFF

図 1 モジュールのブロック図
Fig. 1 Module block diagram.

４

三相 LLC コンバータ

４.1

回路構成と特徴

2us/div

2us/div

図３ 実際の動作電流波形
Fig. 3 Actual operating current waveforms.

図 4 に三相 LLC コンバータの効率特性を示す．出

図 2 に三相 LLC コンバータの構成図を示す．直流力電力 200 W 近辺で単相動作と三相動作の切り替え

入力電圧 Vin を絶縁した直流電圧 Vo に変換する．コを行っている．600 W 以上で効率 99% 以上を達成し，ンバータ部分は三相の共振回路構成となり，各相は200W 以下の軽負荷時にも 95％以上の効率を維持し120 度の位相差で動作する．共振回路特有のソフトている．GaN，SiC などの次世代デバイスを使うことスイッチング技術による低損失と低ノイズ，マルチな く，SJ-MOS の 採 用 で も 幅 広 い 出 力 電 力 領 域 でフェーズ動作による熱分散と入出力リップル電流低減

99% 以上の効率を得ることができた．

を併せ持つ．加えて各相の共振コンデンサを分割し，ひとつは各相へ相互接続，もうひとつは電源ラインへ接続することで電流バランスの取れた動作を実現し，軽負荷時には単相動作への切り替えを可能としている．以上により幅広い負荷電流範囲で高効率性能を得ることができる．

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2023 年 6 月

1phase operation

限される．

Efficiency［%］

99.0
98.5

図 6 に本モジュールの効率特性を示す．負荷電流3phase operation

98.0

10 A 以上の領域で効率 96% を超える特性を得ている．

97.5

図 7 に本モジュールの外観写真を示す．写真上段

97.0が入力から PFC 回路部分，下段が DC-DC コンバータ

96.596.0（3 相 LLC コンバータ）から出力部分，中央部に制御

95.595.00200400600800

電源回路やマイコンなどが搭載されている制御回路基1000 1200 1400 1600 1800 2000

Output power［W］

板が配置されている．入出力のインターフェイスには

図４ 3 相 LLC 回路の効率特性
Fig. 4 Efficiency characteristics of a three-phase LLC
resonant converter.

４.3第1号

充電に対応するため，出力電流は定電流垂下特性で制100.099.5

第 20 巻端子台を採用し，汎用性を高めている．
表１ モジュールの仕様
Table 1 Module specifications.

磁気統合トランス項目
仕様
入力電圧範囲1 Φ AC90 〜 110 V/ AC180 〜 220 V
最大効率96% 以上（AC200 V にて）
力率0.98 以上
出力電圧範囲− 46 〜− 57.5 V
出力電流範囲※ 10~25 A
出力リップル電圧 200 mVp-p 以下
使用温度範囲－ 10 〜＋ 45℃（自然空冷）EMI
VCCI class A 準拠
主な信号機能POWER GOOD，リモート OFF
外形寸法
282 ㎜× 133 ㎜× 53.6 ㎜（W × D × H）
質量約 1.6 Kg※1
強制空冷により 35A まで取得可

三相 LLC コンバータでは 3 つの絶縁トランスと 3つの共振インダクタを使用する．図 5 に使用するトランスを示す．上段が磁気統合トランス（開発品），下段がトランス単品 3 個（従来品）である．コアを 5脚構造とすることで外脚 4 本分を削減し，実装面積を約 16% 削減した．3 つをそれぞれ統合して一体化することで磁束相殺による損失低減と小型化を図っている．

10098

Efficiency［%］9694929088868482

図５ トランス比較写真Fig. 5 Comparison of the transformers.

５製品概要

５.1仕様と外観

051015202530

Output Current［A］

図６ モジュールの効率特性
Fig. 6 Efficiency characteristics of the module.

製品仕様を表 1 に示す．単相入力，自然空冷時 48
V 25 A の出力定格となっており，入力電圧 AC200 V
時には最大効率 96% 以上の効率を得る．正常動作状
態を表示する POWER GOOD 信号や出力を停止させる
リモート OFF 信号の機能を搭載している．バッテリー

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2023 年 6 月

６第 20 巻第1号

整流器ユニットへの展開例

図 9 に 25 A ユニットの筐体内部写真を示す．モ
ジュール１台を搭載し，入出力コネクタや入力ブレーカー，入力ヒューズ基板，インターフェイス基板より構成される．これらはハーネスアッセンブリで接続される．インターフェイス基板は，既存ユニットとの互換性を持たせるため，外部通信用マイコンや電圧調整用の可変抵抗，電圧チェック用端子などが搭載されている．
図７ モジュールの外観写真
Fig. 7 Outside view of the module.
５.2

モジュラーデザイン

新製品開発においてモジュラーデザイン 4 と呼ぶ設計に取り組んでいる．製品群全体から共通設計部（モジュール部）を抽出し，機能・仕様・インターフェイスを決めて開発する．モジュールの選定により多様な製品対応が可能になる上，開発期間短縮や設計工数削減，部品共通化によるコスト削減や調達性改善が図れる．
本モジュールは，モジュラーデザインのコアモジュー

ルとして AC-DC ユニットへ展開するために開発した．

図 8 に AC-DC ユニットへの展開例を示す．本モジュー
ル１台搭載で単相 48 V 25 A ユニット，2 台を並列搭載して単相 48 V 50 A ユニット，そして強制空冷条件で 3 台を並列搭載することで三相 48 V 100 A ユニットへの展開が可能である．外部にインターフェイス基

図９ NRS48-25SP 内部写真
Fig. 9 Inside of NRS48-25SP unit.

板を設けることで各ユニット仕様に対応する．次章で25 A と 50 A ユニットについて紹介する．

図 10 に 50 A ユニットの筐体内部写真を示す．モModule

ジュール２台が並列接続状態で搭載される．25 A ユ
48V 25A Unit
(Natural air cooling)

48V 25A Module
Natural air cooling48V 35A Module
Forced air cooling1Φ

インターフェイス基板で構成される．これらをハーネ

48V 25A Module
Natural air cooling

スアッセンブリで接続している．

I/F board3Φ
48V 100A Unit
(Forced air cooling)

本モジュールの展開により，製品のコアとなる電源回路部分の設計工数や評価工数が短縮でき、低コスト

48V 50A Unit
(Natural air cooling)

48V 35A Module
Forced air coolingI/F board48V 35A Module
Forced air coolingニットと同様の入力ブレ―カー，入力ヒューズ基板，

48V 35A Module
Forced air coolingで短期開発を実現した．

48V 25A Module
Natural air cooling48V 25A Module
Natural air coolingI/F board

図８ モジュール展開例
Fig. 8 Module expansion portfolio.

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2023 年 6 月

第 20 巻第1号

参考文献
1.

電気通信施設設計要領（電気編）第 5 章 令和 3
年 3 月 国土交通省 大臣官房 技術調査課 電気通信室．

2.

A. Chiba, K. Takagi, Y. Aoyagi and K. Ishikura, "Thepotential of LLC resonant converters equippedwith split resonant capacitors: from three-phase

to fractal structures," in Proc. IEEE Int. PowerElectron. Conf ., Himeji, Japan, May 2022, pp.
1711-1718．

3.

高木，青柳，千葉“共振コンデンサを分割した三相 LLC 共振コンバータを用いた効率 99.9% 部分

電力変換方式 DC-DC コンバータ”電気学会産業応用部門半導体電力変換技術委員会電気学会研究会資料．MD / モータドライブ研究会［編］2021

図 10 NRS48-50SP 内部写真
Fig. 10 Inside of NRS48-50SP unit.

（94-115・117），7-12，2021-09-17．

4. 【実践】モジュラーデザイン 時代が求めていた新し い 解， 日 野 三 十 四７2010 年．

おわりに三相 LLC コンバータを搭載した最高効率 96% を超える高効率モジュールを製品化し，その展開により整流器ユニットの新製品開発を低コスト，短期間で行った．現在は，更なる高効率化を目指し，高効率 PFC回路の開発と，それに三相 LLC コンバータを組み合わせた整流器ユニットの製品化を進めている．モジュラーデザインのコアモジュールとして 24 V 出力のモジュール開発を行い，整流器ユニット開発への展開を進めていく．

13

日経ものづくりの本