世界中で電力消費が増加し続ける中、高電圧技術の進歩によって、設計エンジニアは、より効率的なソリューションを開発し、電動化や再生可能エネルギー技術をより身近なものにすることができるようになりました。

「私たち 1 人あたりの電力消費量が増加し続けるにつれて、持続可能なエネルギーはますます重要になっています」と、TI のバイス・プレジデント 兼 高電圧製品担当 ゼネラル・マネージャを務める Kannan Soundarapandian は語ります。「私たちがエネルギー使用をどのように管理するかについて責任を持つことは非常に重要です。私たちは1mJ (ミリジュール)1のエネルギーであっても無駄にはできません。そのエネルギーの持続可能性と成長の鍵を高電圧技術の革新が握っているのです」

電力要件は増加するばかりです。例えば、1 台のEVを 2 秒間で 0 から 60mph (時速 96.54km) に加速するには、大量のバッテリ電力が必要です。また、熱による損失を最小限に抑えるためには、電圧を高くする必要があります。EV内で電力をバッテリからトラクション・インバータに伝送する場合、一般的に高電圧が必要です。これは他の様々な高電圧システムにおいても、同じことが当てはまります。

これらのシステム設計は、高いコストで困難ですが、高電圧システムは、低電圧システムに比べて、伝送線、ケーブル、ワイヤを通じて効率的に電力を蓄積し、配電を実現できます。

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簡単な例を考えてみましょう。20 年前、家庭の標準的な照明は白熱電球でした。白熱電球は寿命が短く、また発熱するため表面に触るとやけどしてしまいます。

「白熱電球は非効率でした」と、TI のバイス・プレジデント 兼 インターフェイス製品担当 ゼネラル・マネージャの Roland Sperlich は語ります。「電球はまた、熱によって多くのエネルギーを失っていました。現在のLED 照明は寿命が長く、表面に触っても温度が低いです。つまり、LED の方がより安全で、より効率的なのです」

何が変化したのでしょうか？より多くの電力供給能力をより小さい体積に集約する能力である電力密度が大幅に向上しています。半導体技術の革新により、エンジニアは、窒化ガリウム（GaN）などの先端材料を用いて、デバイスの効率と信頼性を向上させながらインダクタのサイズを小型化することで、少ない電力でより多くのことを達成できるようになっていたのです。今日の半導体は電球だけでなく、EV や太陽電池（ソーラー）アレイから、AC/DC 電源アダプタや通信システムに至るまで、高電圧アプリケーションのエネルギー節減と効率化に貢献しています。

高電圧技術

電化がより一般的になり、身近なものになるにつれて、世界中の多くの人が、高電圧システムと日常的に接することができるようになりました。例えば、 400V または 800V のバッテリ・パックを使用して動作するEVでは、充電時間の短縮や航続距離の延長を可能にする高電圧設計を採用しており、導入への障壁を取り除くのに役立っています。

「高電圧システムは、EV、再生可能エネルギー、家電製品、AC/DC 電源アダプタ、その他の多様なアプリケーションでエネルギー効率の向上を実現しています」と、Roland は語ります。「この地球上には、非常に多くの人が暮らしており、使用可能な資源には限りがあります。私たちはこの資源を無駄なく使用しなくてはなりません。効率を改善するための画期的な方法を見つけることが必要なのです」

TI の技術革新は、高電圧システムのすべての機能領域にわたって、安全で効率的、かつ信頼性の高いソリューションを実現します。

• GaNや炭化ケイ素 (SiC) のようなワイド・バンドギャップ素材は、各種高電圧システムにおいて、効率的な電力変換、電力損失の低減、効率の向上を可能にします。例えば、EV のオンボード・チャージャやトラクション・インバータで TI の絶縁型ゲート・ドライバと SiC スイッチと組み合わせると、駆動システム内の効率の向上、軽量化、サイズの小型化、エネルギー損失の低減を実現できます。
• 高電圧システム向けセンシングおよびモニタリングの技術により、エンジニアは電圧を正確に測定し、安全性と信頼性を向上させることができます。その結果、設計者は設計マージンを下げることでコストを削減し、各種パワー・スイッチの能力を最大限に活用することができます。
• 絶縁回路は 2 つの領域を電気的に分離すると同時に、人体への安全性を損なうことなく、バリアを超えて電力や信号を伝送できるようにします。さらに、グランドの電位差による電流を最小化し、ノイズ耐性を改善することもできます。TI の磁気式と静電容量性の各絶縁技術により、堅牢な絶縁バリアを確保し、安全な高電圧システムを実現します。
• 低レイテンシのリアルタイム制御技術を採用すると、GaN または IGBT スイッチを使用する複雑な電源トポロジで信頼性の高い制御が可能となり、高電圧システムの堅牢性と電力密度を向上させることができます。

「高電圧システムの設計を全面的に困難にしている多くの課題があります」と、Roland は語ります。「TI には、これらの課題を解決するためのシームレスに連動する独自の革新的な設計があり、また、製造、テストおよび組み立て、パッケージも優れています。お客様へ、安全で信頼性の高い製品を手ごろな価格で提供できるよう支援しています」

1 mJ (ミリジュール)とは、1J (ジュール) の 1/1,000 の大きさです。J (ジュール)は、1W の電力が 1 秒間継続したときのエネルギーを表します。