最大動作電圧１０００ボルトを実現　菊水電子工業　直流電子負荷装置５機種【PR】

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(2020/4/6 23:30)

並列同期運転で最大電力１００キロワット

　ハイブリッド車（ＨＶ）に続いて電気自動車（ＥＶ）も普及し、高電圧・大容量の車載電装品が増えている。また、クラウドコンピューティングの本格化に伴い、高電圧給電のサーバー市場が拡大している。こうしたパワーエレクトロニクス機器の性能評価や試験ニーズに対応し、菊水電子工業は直流電子負荷装置のフラッグシップモデル「ＰＬＺ―５ＷＨ２シリーズ」５機種を製品化した。最大動作電圧１０００ボルト、最上位機種で最大電力２０キロワットを実現。さらにシリーズ内で同一機種に限らず５台まで組み合わせて、最適な容量にする並列同期運転も可能にした。開発者２人に背景や狙いを聞いた。

フラッグシップモデル投入

製品開発一部開発二課主任　榊原将洋氏

－ＰＬＺ―５ＷＨ２シリーズの開発に着手したのはいつ頃ですか。

榊原

発売（１月末）の１年半余り前、２０１８年６月だ。市場の高電圧化ニーズに対応し、大容量タイプ（１２キロワット、２０キロワット）の最大動作電圧を６５０ボルトから８００ボルトに引き上げたＰＬＺ―５ＷＨを先行発売していたが、従来のＰＬＺ―４ＷＨシリーズを９年ぶりに全面リニューアルし、１キロワットから５機種すべてを１０００ボルトに対応した。高電圧・大容量の直流電子負荷への市場ニーズが高まり、１年半という短期間で製品化にこぎつけた。

　設計を一から見直して最良の電子部品を選定したことで、装置サイズもコンパクト化した。例えば従来のＰＬＺ―４ＷＨシリーズでは、１キロワットモデル「１００４ＷＨ」に専用ブースター（補助装置）を付けて容量３キロワットにすると７Ｕ（１Ｕは高さ４４．５ミリメートル）になってしまうが、ＰＬＺ―５ＷＨ２シリーズの４キロワットモデル「４００５ＷＨ２」は単体で３Ｕ。３．１倍の電力密度で省スペースを実現する。さらにシリーズ内モデルの並列同期運転を可能にしたので、ブースターそのものが不要になった。

　もちろん「キクスイ」ブランドを裏切らない信頼性でも、海外メーカーを含めて他社製品より優位だと自負している。ドロッパ方式の電子負荷装置として、できることはやり尽くした。

－高性能化しているのに、容量当たりの製品価格は下がっています。

榊原

全面的な設計の見直しに加え、原価低減活動の成果もある。異モデルの並列接続が可能になって使い勝手も従来と比べものにならないほど良くなっており、結果的にコストパフォーマンスは目覚ましく向上している。

－９年前のＰＬＺ―４ＷＨシリーズ発売時に比べ、直流電子負荷装置の用途となる製品分野はどう変わっていますか。

榊原

何と言ってもＨＶ、ＥＶと自動車の電動化が進んだことが大きい。最大動作電圧が６５０ボルトのＰＬＺ―４ＷＨシリーズでは、車載電装品の高電圧・大容量化に対応し切れなくなる事態が見えていた。それに先んじて最大動作電圧１０００ボルトのＰＬＺ―５ＷＨ２シリーズを製品化でき、当面のニーズには応えられる。

　ＥＶだけでなく、ＨＶに外部充電機能を付加して電気だけで走れる距離を延ばせるプラグインハイブリッド車（ＰＨＶ）も登場し、搭載する充電用ＡＣ／ＤＣ（交流／直流）コンバーター、オンボードチャージャーの高電力密度化も求められてくるだろう。ただ、充電時間を短縮するために電圧を高めるほど、感電事故の危険性が増す。人が介在しない新たな給電方式の実用化が待たれる。

　ＰＬＺ―４ＷＨシリーズ発売時は、自動車の電動化に今ほどの勢いはなかった。それよりも、普及し始めた再生可能エネルギーを使うのに不可欠なパワーコンディショナーや家庭用燃料電池など、新エネルギー関係の需要が多かった。そこにＥＶやサーバーが加わった。足元では市場が海外へ大きく広がる自動車産業で、ＥＶ化の波が一気に来ている状況だ。ＰＬＺ―５ＷＨ２シリーズは国内よりも、輸出が増えると見込んでいる。

パワーデバイス温度上昇対策　ファン冷却を最適化

製品開発一部開発二課　森智瑛氏

－高電圧・大容量仕様のＰＬＺ―５ＷＨ２シリーズでは、制御システムも改良したそうですね。

森

ＰＬＺ―４ＷＨシリーズには中央演算処理装置（ＣＰＵ）を使っていたが、ＰＬＺ―５Ｗ／ＰＬＺ―５ＷＨ／ＰＬＺ―５ＷＨ２シリーズでは、パワーモジュール制御で普及してきたＦＰＧＡ（プログラミング可能なＬＳＩ）を搭載した。最新のＰＬＺ―５ＷＨ２シリーズはＰＬＺ―５Ｗ／ＰＬＺ―５ＷＨシリーズに比べ、さらに機能を追加している。

　苦労したのは、パワーデバイスの温度上昇対策。ＰＬＺ―５ＷＨ２シリーズでは容量４キロワットの「４００５ＷＨ２」まで、１キロワットモデルの「１００５ＷＨ２」と同じ３Ｕの筐体に収めることが製品開発のコンセプトだった。新シリーズで主力機種となる４００５ＷＨ２は１キロワットのユニットを四つ、横に並べた構造。内部の熱を効率的に外へ逃がす必要があった。構造を大きく変えずに、温度を下げるための試行錯誤を繰り返した。

　ＰＬＺ―５ＷＨ２シリーズでは、ＰＬＺ―４ＷＨシリーズからレイアウトの抜本的な見直しともに冷却用ファンを変え、これまでの背面ではなく前面に配置して空気の流路を最適化。ヒートシンクの冷却能力をフルに引き出し、体積当たりの電力密度を高めることに成功した。従来、冷却用ファンを背面に置いていたのは、ファンのメンテナンス性を優先したため。昨今のファンは堅牢性に優れており、背面に置く必要はなくなった。苦労した分だけ、ＰＬＺ―５ＷＨ２シリーズが完成したときの感慨はひとしおだった。

－開発者も定期的にユーザーへ足を運んでいるとか。

榊原

たびたび、営業担当者と一緒に出向いている。すべてを見せてくれるわけではないが、生の声を聞いて製品開発の方向性を確認する貴重な機会になっている。

フルモデルチェンジ―最適な容量選択可能

ＰＬＺ－５ＷＨ２シリーズ全５機種

車載電装品評価試験など高電圧・大容量ニーズに対応

　ＰＬＺ―５ＷＨ２シリーズは最大動作電圧１０００ボルト、最上位機種で最大電力２０キロワットの直流電子負荷装置。２０１１年発売のＰＬＺ―４ＷＨシリーズを９年ぶりにフルモデルチェンジした。国内外の自動車メーカーが競い合うようにＨＶ、ＥＶ、ＰＨＶ開発を進め、車載電装品の評価試験などで高電圧・大容量ニーズが強まっていることに対応する。動作電圧は１０－１０００ボルト（最小動作電圧１．５ボルト）。最大電力１キロワットから２０キロワット、最大動作電流２０アンペアから４００アンペアの範囲で５機種あり、価格は５５万－５００万円（消費税抜き）。年間５００台の販売を見込む。

４キロワットモデルの「４００５ＷＨ２」

　従来のＰＬＺ―４ＷＨシリーズは最大動作電圧６５０ボルトで、高電圧・大容量ニーズへの対応を図ったＰＬＺ―５ＷＨの「１２００５ＷＨ」（最大電力１２キロワット）と「２０００５ＷＨ」（同２０キロワット）は８００ボルトだった。また、複数台をつなぐ並列同期運転は最大５台で同じだが、同一機種に限らずシリーズ５機種の組み合わせで、最適な容量を選択できるようにした。

　動作モードは定電流（ＣＣ）、定抵抗（ＣＲ）、定電圧（ＣＶ）、定電力（ＣＰ）のほか、任意の電圧・電流値を複数（３－１００点）指定できる任意ＩＶ特性モードがある。定格電流までの立ち上がり時間は、最上位機種の「２０００５ＷＨ２」で２０マイクロ秒（マイクロは１００万分の１）を実現し、電源評価で重要視される高速過渡応答試験に対応する。

　デジタルインターフェースにはＬＡＮ、ＵＳＢ、ＲＳ２３２Ｃを標準装備した。

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