SST が 800V 直流母線に接続された後、なぜ総電流測定がより重要になるのか

11 月 2 日、エンビジョン（遠景エナジー）は、一体化 800V 高圧直流給電システムがウランチャブ星河基地で商業運転を開始したと発表した。このシステムはテンシュ（天枢）コントローラ、ソリッドステートトランスフォーマー（SST：固体変圧器）、直流蓄電池および DC/DC コンバータで構成され、10kV 中圧交流から AI データセンターの演算負荷までのエンドツーエンド給電を実現している。

この件で注目に値するのは、800V 直流給電が商業利用フェーズに入ったことだけではない。SST、蓄電池、負荷がすべて同一の直流母線に接続されることに伴い発生する工学的課題、すなわち主回路の電流変化をどのように正確に把握するかという点である。

特に AI サーバーの GPU 負荷は安定していない。演算タスクの切り替え、電力の急変、蓄電池の高速応答などにより、直流システム内の電流は絶えず変動しうる。

母線の総電流が見た目上安定していたとしても、給電システム全体が正常に動作していると言えるだろうか。

答えは否である。

一、800V 母線における電流の発生源

まず本給電アーキテクチャを確認する。 SST は 10kV 交流を 800V 直流に変換し母線へ給電する。直流蓄電池は双方向 DC/DC コンバータを介して母線に接続され、充電も放電も可能である。下流側の DC/DC コンバータは 800V 直流をキャビネットが必要とする電圧に変換し、GPU サーバーへ給電する。

電気的接続関係から見ると、これは複数の支路間でエネルギーが相互にやり取りされるシステムである。

SST の出力電流と蓄電池の放電電流を正方向と定義した場合、母線ノードにおけるキルヒホッフの電流則より下記の式が成り立つ。

\(I_{SST}+I_{ESS}=I_{LOAD}\)

ここで\(I_{SST}\)は SST 給電支路、\(I_{ESS}\)は蓄電池支路、\(I_{LOAD}\)は負荷支路の電流をそれぞれ表す。

留意すべき点として、電流センサーは取り付け位置の導体を流れる電流を測定するものであり、母線ノードに設置しただけで各支路の電流を自動的に測定できるわけではない。

例えば、対象負荷のすべての支路が集約された共通の給電線にセンサーを取り付けた場合、測定されるのはこれら負荷の総電流となる。SST 出力支路に取り付けた場合は、SST が実際に担っている給電電流が測定される。

したがって母線総電流の測定では、まず測定点の位置と、その測定値がどの範囲の電流を表しているかを明確にする必要がある。

二、総電流値が正常に見えても、システムは既にストレスを受けている可能性がある

代表的なケースを挙げる。 800V 直流母線の下流負荷電力が 400kW のとき、対応する電流は約 500A となる。

\(I = P/U = 400000/800 = 500\mathrm{A}\)

GPU クラスターが突然高負荷演算状態に移行し、負荷電力が 800kW に上昇すると、電流は 1000A まで増加する。 このとき SST と蓄電池が共同で給電を行う必要が生じる。

蓄電池用 DC/DC コンバータの応答が速いため、まずバッテリーが電力を放出し、SST が追いつかない分を補填する。その後 SST の出力電力が徐々に増加し、蓄電池の補助出力は一部低下する。

負荷側の集約給電線の電流は 500A から 1000A へ上昇するが、負荷が受け取る電力自体は安定に保たれる。 しかしこの電流カーブからだけでは、SST と蓄電池がそれぞれどれだけの電力を担っているかは判別できない。

さらに注意を要する状況が存在する。 SST の出力能力が低下しても、蓄電池の放電電力を増大させることで一時的に負荷への給電を維持できる。 負荷側総電流だけを観測していると、給電構造に変化が生じていることに気づけない。実際にストレスを受けているのは SST の出力能力の不足、あるいは蓄電池が想定を超えた電力を長時間担っている状態である可能性がある。

逆に蓄電池が充電状態に入ると、下流負荷電力が変化していなくても SST の出力電流が増加する場合がある。

このように、総電流測定は特定の主回路の電流変化を反映できるが、それ単体でシステム全体の電力配分状況を解釈することはできない。 これが直流母線において 1 か所の測定点だけに依存してはいけない理由である。

注：上記表は原理説明のための模擬データであり、実機の試験結果を表すものではない。

三、800V 直流システムが電流測定に求める要件

交流システムも直流システムも総量測定と支路測定は必要であり、交流システムが各支路を自然に識別でき直流システムができない、という違いは存在しない。

両者の主な相違点は測定信号の特性にある。 交流電流は周期性を持ち、実効値、周波数、位相、高調波、力率を分析できる。一方直流電流では電流の大きさ、向き、リップル、動的変化が重点的な監視対象となる。

特に蓄電池が調整に関与する直流システムでは、電流の向きが頻繁に反転する可能性がある。 同一の蓄電池支路でも、放電時には母線へ電流を注入し、充電時には母線から電流を吸収する。

センサーのゼロ点が不安定だったり、正負の向きの判定に誤差が生じたりすると、制御システムの電力流向の判断に影響を及ぼす。

また AI サーバーの負荷は明確な動的特性を持つ。GPU クラスターは演算タスクの切り替え時に急速な電力変動を引き起こす可能性がある。センサーには測定精度だけでなく十分な動的応答性能が求められる。

したがって 800V 直流母線の電流測定では、定格レンジだけでなく、精度、ゼロ点安定性、周波数帯域幅を同時に考慮しなければならない。

四、母線総電流測定に十分なレンジを確保する必要性

800V 直流システムでは電力が大きくなるほど母線電流も大きくなる。

表格

これらは理想的な 800V 電圧で計算した例に過ぎない。実運用では母線電圧変動、変換効率、負荷変動を考慮する必要がある。

電流センサーを選定する際は、ある瞬間の運転電流だけをもとにレンジを決定してはならない。

例えば、ある母線が長時間 2500A 付近で運転している場合、定格 2000A のセンサーを選択してはならない。測定レンジが ±3000A に達していても、長時間の連続運転に適しているとは限らない。

定格電流、測定レンジ、過負荷耐量はそれぞれ異なる概念である。 エンジニアリングでの型式選定には、連続運転電流、短時間ピーク電流、動的変化、故障保護要件を総合的に判断する必要がある。

五、CR8A M05：大電流直流主回路向け測定ソリューション

大電力直流給電システムの電流測定ニーズに対し、芯森電子（チップセンス）の CR8A M05 シリーズの閉ループホール電流センサーは 6 種類のレンジ仕様を取り揃えている。

本シリーズは閉ループホール方式を採用し、一次側と二次側が電気的に絶縁されており、直流、交流、パルス電流の測定に対応する。

CR8A M05 シリーズレンジ一覧

表格

800V 直流母線において、複数のレンジが異なる電力クラスの測定ニーズをカバーする。 例えば母線の長時間運転電流が約 2500A の場合は CR8A 3000 M05 を、約 4000A の場合は CR8A 4000 M05 を評価対象とするとよい。 最終的な型式は実際のピーク電流、持続時間、測定抵抗、システム保護要件を踏まえて決定する。

レンジ以外にも精度とゼロ点安定性は重要である。 CR8A M05 シリーズは定格電流点における精度が ±0.3％（ゼロ点誤差を除く）、直線性誤差が ±0.1％（定格電流比、ゼロ点誤差を除く）である。

CR8A 5000 M05 を例に挙げると、ゼロ点オフセット電流は ±0.2mA、全温度域ゼロ点ドリフトは ±0.5mA、磁気的オフセット電流は ±0.2mA、動作温度範囲は - 45℃～85℃である。

理論感度 0.2mA/A で換算すると、二次側 0.5mA のドリフトは一次側約 2.5A に相当する。 なお、これはセンサー単体の二次側ゼロ点ドリフトの一次側換算値であり、測定システム全体の実誤差ではない。サンプリング抵抗、信号調整回路、ADC および後段処理によって追加の誤差が発生する。

動的性能については、CR8A M05 シリーズの応答時間は 1μs（一次側定格電流の 90％到達条件）、周波数帯域幅は 100kHz（‑3dB）である。これにより高速な電流変化の捕捉が可能となる。 ただし、センサー本体の応答速度＝制御システム全体の応答速度ではない。実際にはサンプリング周波数、フィルタリング、通信、制御アルゴリズムの遅延を考慮する必要がある。大電力母線測定では、これらの指標を具体的な制御周期やシステムの動的要求に合わせて総合的に評価する。

六、800V 直流母線応用における絶縁と取り付け上の留意点

800V 直流母線は一般的な低電圧信号回路ではない。 電流センサーは主回路に設置され、一次側導体は高電位となり得るため、一次‑二次間絶縁、取り付け構造、装置全体の電気的安全を考慮しなければならない。

CR8A M05 の主な絶縁パラメータは下記の通りである。

表格

これらはデバイスレベルの絶縁パラメータである。 実際に 800V 直流システムで使用する際は、動作電圧、過電圧カテゴリ、汚染度、設置環境、装置全体の適用規格に基づき絶縁協調の検証を追加で実施する必要がある。商用周波耐電圧の数値だけで装置全体の絶縁要件を満たしていると判断してはならない。

また CR8A M05 の一次側貫通穴径は Φ120mm で、30mm×120mm の平角導体にも対応する。型式選定時には母排サイズ、導体レイアウト、取り付けスペース、温度上昇も考慮する。大電力用途では母排構造やセンサーの取り付け位置自体が測定結果に影響を与える。

七、総量測定と支路測定は代替できない

冒頭の問いに立ち返る。 800V 直流母線の電流が見た目上安定していても、SST、蓄電池、負荷の各支路がすべて理想的な状態で動作しているとは限らない。

総電流測定は共通主回路の電流変化を把握し、電力管理と運転監視の根拠を与える。一方、SST の出力が正常か、蓄電池が過大な電力を長時間担っていないか、どの DC/DC コンバータに異常が発生しているかを判断するためには、各支路の独立した測定データが必要になる。

この二種類の測定は重複した設備ではなく、それぞれ異なる監視役割を担っている。

800V 直流給電システムにおける電流センサーの選定では、定格電流の数値だけを見てはいけない。レンジの適合性、ゼロ点安定性、動的応答性能、絶縁性能は、設計フェーズですべて総合的に検討する必要がある。

AI データセンターの電力密度が上昇し続けるにつれ、直流給電アーキテクチャの電流測定は単なる電量監視から、電源の協調制御や運転状態判定の重要な基盤へと変化しつつある。

母線総電流を正確に測定することはシステム全体の運転状態を把握する第一歩である。各支路の状況を正確に把握するためには、階層化された測定体系を構築することが求められる。