絶縁型 vs 非絶縁型 DC-DCコンバータ：違い・選定ポイント・事例

目次

1. はじめに：絶縁型 vs 非絶縁型 DC-DCコンバータが重要な理由

2. DC-DCコンバータとは？用途と動作原理

3. 絶縁型DC-DCコンバータとは？原理・利点・代表的な用途

4. 回路タイプ別：絶縁型DC-DCコンバータの適用例

5. 絶縁型DC-DCコンバータの代表的な適用分野

6. 非絶縁型DC-DCコンバータとは？トポロジ・利点・代表的な用途

7. 絶縁型 vs 非絶縁型 DC-DCコンバータ：主な違い

8. 絶縁型DC-DCコンバータを選ぶべきケースとは？

9. 非絶縁型DC-DCコンバータを選ぶべきケースとは？

10. まとめ：選定指針と一般的な電源アーキテクチャ


はじめに：絶縁型 vs 非絶縁型 DC-DCコンバータが重要な理由

DC-DCコンバータは、直流（DC）をある電圧レベルから別の電圧レベルへ変換することで、現代の電子機器において重要な役割を担っています。複数の回路が異なる電圧を必要とするシステムにおいて不可欠な機能であり、最適な性能と効率を確保します。

絶縁型（Isolated）と非絶縁型（Non-Isolated）DC-DCコンバータの違いは特に重要です。根本的な相違点は、入力と出力の間にガルバニック絶縁（galvanic isolation）があるかどうかにあります。絶縁型はトランスや結合部品を介してエネルギーを伝達し、直流の導通経路を遮断します。これにより電気的な安全境界を形成し、グラウンドループを抑制し、差動モード（differential-mode）およびコモンモード（common-mode）ノイズを低減できます。

一方、非絶縁型はシステムと共通グラウンドを共有します。高効率・小型・低コストという特長があり、負荷の近くで電力を供給するPOL（Point-of-Load）電源に適しています。

この選択はシステムの安全性、サイズ、コスト、効率に直接影響するため、エンジニアや設計者は用途に最適なコンバータを選定できるよう、これらの違いを明確に理解しておく必要があります。以下の章で詳しく解説します。


DC-DCコンバータとは？用途と動作原理


DC-DCコンバータは、直流（DC）電圧をあるレベルから別のレベルへ変換する電子回路です。主な目的は、異なる電圧を必要とする回路やシステムへ、安定かつ高効率な電力を供給することにあります。DC-DCコンバータは、産業オートメーション、通信機器、輸送システム、医療機器、再生可能エネルギーシステムなどで広く用いられ、現代の電子システムに不可欠な部品です。

動作原理はスイッチング電源技術（switching power supply technology）に基づき、高速スイッチング素子（MOSFETやGaN素子など）がオン／オフを高速に切り替えます。インダクタ、トランス、コンデンサなどによりエネルギーを一時的に蓄積・放出し、昇圧（step-up）、降圧（step-down）、あるいは絶縁（isolation）を実現します。

図1に示すように、一般的な電力変換システムは、電力スイッチング素子、制御IC、磁性部品（インダクタ／トランス）、およびフィルタコンデンサで構成されます。これらの主要部品は、変換効率、EMI特性、システム全体の信頼性に総合的に影響します。


Figure 1. スイッチング電源の主要構成要素


図2に示すように、電子システムではサブ回路ごとに必要な動作電圧が異なるため、DC-DCコンバータは広く使用されています。単一の電源から複数の電圧レールを生成することで、システム設計を簡素化し、総コストを低減できます。用途は民生機器から車載システムまで幅広く、オペアンプやセンサなどの高感度ICが確実に動作するためには、精密な電圧レギュレーションが重要です。


Figure 2. システムPCB上におけるDC-DCコンバータの代表的な適用例


絶縁型DC-DCコンバータとは？原理・利点・代表的な用途

絶縁型DC-DCコンバータはガルバニック絶縁を提供し、入力側（一次側）と出力側（二次側）が電気的に独立しており、両者の間に直接の導通経路が存在しません。これにより、エネルギーの直接導通や共通グラウンドによる干渉を防止できます。

直接の電気接続はありませんが、図3および図4に示すように、絶縁トランスを介してエネルギーを伝達できます。一次側で電気エネルギーを磁気エネルギーへ変換し、それを二次側へ伝達した後、再び電気エネルギーへ変換して負荷へ供給します。

絶縁状態で安定した出力レギュレーションを維持するため、制御信号は図3のようにフォトカプラ（optocoupler）などの絶縁部品を介して伝送されます。図4は代表的な回路構成を示しており、一次側のスイッチング段がトランスを駆動し、二次側で整流・平滑して出力を生成し、フィードバックにより制御回路が出力を調整します。


Figure 3. 絶縁型DC-DCコンバータにおけるガルバニック絶縁とエネルギー／信号伝送



Figure 4. 絶縁型DC-DCコンバータの代表的な回路構成



絶縁型DC-DCコンバータの主な利点

電気安全 

図5に示すように、トランスやフォトカプラは入力と出力の間に電気的絶縁バリア（isolation barrier）を形成し、一次側の高い差動電圧が二次側へ到達するのを効果的に防止します。これにより低電圧部品と作業者を保護でき、IEC 60601-1やIEC 62368-1などの安全規格に準拠する必要がある用途で特に重要です。


Figure 5. 絶縁型 vs 非絶縁型DC-DCコンバータ：システム保護比較


ノイズ抑制とグラウンドループの排除

図6に示すように、ガルバニック絶縁は正負電源レール間を循環する差動モードノイズだけでなく、システムブロック間の接地電位差に起因するコモンモードノイズも効果的に遮断します。特に低周波領域でグラウンドループを排除することで、絶縁型DC-DCコンバータは信号安定性とシステム信頼性を向上させ、漏れ電流が意図しない経路を流れることを防止します。


Figure 6. 絶縁型 vs 非絶縁型コンバータのノイズ遮断効果


回路タイプ別：絶縁型DC-DCコンバータの適用例

各種回路アプリケーションにおける絶縁型DC-DCコンバータの適用例：

  • (1) 電源回路（Power Circuit）

    • ノイズ要因：高いdi/dtのスイッチング電流と寄生容量の結合により高周波コモンモード電流が発生し、さらに大電流ループが領域をまたぐと、ノイズが敏感領域へ持ち込まれる可能性があります。
    絶縁の効果：

    • • DC基準経路を遮断してグラウンドループを排除
    • • ノイズを一次側に閉じ込め、システム全体への結合を低減


    • (2) デジタル回路（Digital Circuit）

      • ノイズ要因：高速ロジック（MCU/FPGA/SerDes/DDR）はグラウンドバウンスやEMIを生じやすく、リターン経路がドメインをまたぐと問題が増大します。
      絶縁の効果：

      • • デジタルのリターン電流をローカルドメイン内に限定
      • • 通信線を介した接地電位差によるノイズ／サージ電流の注入を防止


      • (3) アナログ回路（Analog Circuit）

        • ノイズ要因：センサ、アンプ、ADCは接地ノイズやコモンモード擾乱に非常に敏感です。
        絶縁の効果：

        • • 計測フロントエンドをシステムGNDから分離
        • • 絶縁アンプ／絶縁ADCと組み合わせることで測定精度を向上


          絶縁型DC-DCコンバータの適用事例

          事例1：

          図7に示すように、センサからの連続的なアナログ信号は増幅された後、ADCによってデジタルデータへ変換されます。アナログ回路とデジタル回路が同一のGNDを共有すると、接地電位差やリターン経路のインピーダンスによりノイズが混入し、変換誤差や信号劣化を引き起こす可能性があります。

          デジタル絶縁回路を導入し、絶縁ドメインを絶縁型DC-DCコンバータで給電することで、システムは次を実現します：

          • • アナログGNDとデジタルGND間のノイズ結合を遮断
          • • 過渡電圧がデジタル制御系へ到達するのを防止
          • • 信号の精度と安定性を確保



              Figure 7. センサ入力からデジタル出力までの絶縁信号フロー


              事例2：

              図8に示すように、CompactPCIベースのシステムでは、複数の機能モジュール間で電気安全性と信号完全性を確保するために、絶縁型DC-DCコンバータとフォトカプラアレイを使用します。絶縁電源レールは5 V、±12 V、±15 Vを独立して供給し、アナログ、デジタル、通信回路間の干渉を防止します。

              全体の設計ロジックは次の通りです：

              • • 通信レイヤ：シリアル通信バス（RS-232、RS-485、CANなど）での伝送では、各モジュールが異なる電源で駆動されることが多く、物理距離も長いため接地電位差が発生しやすくなります。絶縁型DC-DCコンバータにより共通GND経路を遮断し、グラウンドループのコモンモードノイズ電流による通信障害や機器損傷を防止します。
              • • 電源レイヤ：図示では12V入力を複数の絶縁型DC-DCコンバータで5V、±12V、±15Vなどの独立電源へ変換し、それぞれが異なるサブシステムを給電します。これによりアナログ、デジタル、通信回路の相互結合を回避します。
              • • 信号レイヤ：DACとOPAで構成される信号出力部もDB-37インターフェース駆動前に絶縁され、外部機器接続時に高電圧やノイズが制御ボードへ逆流するのを防止します。


                この設計により、次を同時に達成します：

                • • システム安全性の強化 – 過渡的な高電圧経路を絶縁・遮断し、システム間の高電圧結合や損傷を防止します。
                • • 通信安定性の向上 – コモンモード干渉や接地ノイズによる信号歪みを低減します。
                • • システム信頼性の向上 – 複数電源の絶縁により干渉の伝播を抑え、システム全体の動作を安定化します。

                このようなアーキテクチャは、産業制御システム、データ収集（DAQ）カード、通信インターフェースモジュールなどで広く用いられ、高信頼な絶縁電源設計の代表例です。


                  Figure 8. ガルバニック絶縁を備えたCompactPCIモジュール構成


                  絶縁型DC-DCコンバータのアーキテクチャ柔軟性：拡張性・直列接続・多出力


                  • 1. 広い電圧・電流レンジ

                    • 入力と出力の間で電圧比や電流差が大きい条件でも容易に対応できます。例えば110VDCの高電圧を低電圧ロジック電源へ変換する、あるいは低電圧・大電流を高電圧・小電流へ変換するなど、高出力かつ高絶縁要求の用途に適しています。

                  • 2. 直列接続が可能

                    • 図9に示すように、複数の絶縁型コンバータを直列に構成することで、モジュール間の電気的独立性を維持しながら、より高い総出力電圧を実現できます。高電圧試験装置や特殊産業用電源アーキテクチャで一般的です。


                    図9. 絶縁型DC-DCコンバータの直列接続構成


                  • 3. 多出力に対応

                    • 同一の絶縁構造内で複数の独立した出力電圧を提供でき、さまざまな負荷要求に対応します。例えばロジック回路、ドライバ回路、通信モジュールへ同時に給電でき、追加の電源モジュールを削減できます。

                  • 4. 柔軟な接地

                    • 出力側がフローティングGND（floating ground）であるため、設計者は用途に応じて出力を任意に接地または浮かせることができます。差動アンプ、センサの絶縁給電、異なる接地ネットワークを跨ぐシステムなどに有効です。

                  • 5. 昇圧／降圧

                    • トランスの巻数比設計により、昇圧と降圧の両方を実現できます。非絶縁設計より柔軟で、EVのBMS、エネルギー貯蔵システム（ESS）、分散電源アーキテクチャ（DPA）など広い電圧レンジ変換が必要な用途に適しています。


                  絶縁型DC-DCコンバータの代表的な適用分野

                  • 産業システム（Industrial Systems）

                    • PLC、産業オートメーションコントローラ、モータドライブ、センサネットワークなどで広く使用され、サブシステム間の電源絶縁と電圧変換を担います。絶縁設計により、現場環境の高電圧サージや電磁干渉（EMI）が制御回路へ影響するのを防ぎ、複数機器の長時間安定稼働を確保し、耐性と安全性を向上します。

                  • 鉄道システム（Railway Systems）

                    • 軌道交通の信号システム、列車制御システム、車載機器に適しています。鉄道の給電環境は高電圧過渡、強い電磁干渉、長距離伝送に伴う接地電位差などが発生しやすいのが特徴です。絶縁型DC-DCコンバータは電気区間間に安全な絶縁を形成し、通信・制御モジュールの信頼性を保護しつつ、EN 50155などの鉄道規格にも対応します。

                  • 再生可能エネルギー（Renewable Energy）

                    • 太陽光インバータ、風力タービン制御システム、エネルギー貯蔵装置（ESS）において、発電側と制御側の間の電圧変換と絶縁のために使用されます。絶縁により高電圧DCバスが低電圧制御回路へ干渉するのを防ぎ、効率と安全性を高め、IEC 62109などの安全規格準拠にも寄与します。

                  • 医療機器（Medical Equipment）

                    • 患者接触型機器（モニタ、心電計、輸液ポンプ、医用画像装置など）で、高精度計測および信号処理モジュールへ絶縁電源を供給するために広く使用されます。漏れ電流やノイズが患者へ伝わることを防止し、絶縁電圧や漏れ電流に関するIEC 60601-1の厳格な要求を満たし、患者と操作者の安全を確保します。


                  非絶縁型DC-DCコンバータとは？トポロジ・利点・代表的な用途

                  図10に示すように、非絶縁型DC-DCコンバータはガルバニック絶縁を提供しません。入力と出力は同一の電気的グラウンドを共有します。代表的なトポロジとしてBuck、Boost、Buck-Boostがあり、構造がシンプルで高効率な点が評価されています。


                  Figure 10. 非絶縁型DC-DCコンバータの代表的な回路構成


                  非絶縁型DC-DCコンバータの利点
                  • 1. 高い変換効率

                    • 非絶縁型DC-DCコンバータはトランスや絶縁関連部品が不要なため、電力伝送経路が短くエネルギー損失が少なく、一般的に90%以上の効率を達成します。これはモバイル機器、IoTノード、携帯計測器などのバッテリ駆動システムで特に重要であり、効率の向上は発熱低減と稼働時間の延長に直結します。

                  • 2. 小型

                    • 構造がシンプルで部品点数も少ないため、同一出力条件でより高い電力密度を実現できます。例えばBuckコンバータは数mm角のパッケージでも実装可能で、ウェアラブル機器、コンパクトな組込みシステム、車載電子モジュールなど、スペース制約の大きい用途に適しています。

                  • 3. 低コスト

                    • トランス、高耐圧絶縁材料、複雑な絶縁構造が不要なため、非絶縁型コンバータは絶縁型ソリューションに比べてBOMおよび製造コストを大幅に低減できます。スマート家電、LED照明モジュール、エントリーレベル通信機器など、量産かつコスト感度の高い用途で大きな経済的メリットがあります。


                  非絶縁型DC-DCコンバータの代表的な用途

                  • 1. スマートフォン

                    • スマートフォンでは、非絶縁型DC-DCコンバータ（Buck、Boost、Buck-Boostなど）がバッテリ電源管理（PMIC）や多レール電圧生成に使用され、プロセッサ、ディスプレイ、無線モジュール、カメラなど各モジュールへ正確で安定した電圧を供給します。低電圧・単一電源ドメインのシステムにおいて、非絶縁設計は高効率かつ小型で、バッテリ寿命の延長と発熱低減に寄与します。

                  • 2. コンピュータ

                    • デスクトップ、ノートPC、サーバのCPU、GPU、メモリ、チップセットは、一般的に非絶縁型PoL（Point-of-Load）コンバータで給電され、メイン電源（12V、19Vなど）を極めて低いコア電圧（1V未満など）へ降圧します。非絶縁アーキテクチャは高効率で大電流を供給でき、負荷変動への応答も速いため、計算性能と安定性を確保します。

                  • 3. 車載

                    • 車載電子では、非絶縁型DC-DCコンバータが12Vまたは48Vバッテリ電圧を、ECU、インフォテインメント、照明モジュール、ADASセンサなどに必要な動作電圧へ降圧する用途で広く使用されます。車内の多くの回路は同一電源系を共有し、効率・放熱・サイズ要件が厳しいため、非絶縁設計はコンパクトで高効率なソリューションとなります。

                  • 4. センサ

                    • IoT、スマート製造、産業オートメーション分野では、センサノードはスペースが限られ、消費電力も制約され、システム電源と近い電圧で動作するケースが一般的です。非絶縁型DC-DCコンバータは極小パッケージで安定電圧を供給し、低消費電力モードを支援してバッテリ寿命を延ばすと同時に、測定精度とシステム安定性を維持します。


                  絶縁型 vs 非絶縁型 DC-DCコンバータ：主な違い;

                  適切なDC-DCコンバータを選定する際、両者の違いを理解することは設計判断において極めて重要です。以下に主な比較項目と技術的説明を示します：

                  アイテム 絶縁型DC-DCコンバータ 非絶縁型DC-DCコンバータ
                  電気的絶縁と安全性

                  トランスやフォトカプラにより入力と出力の間に絶縁バリアを形成することで、差動モードおよびコモンモードノイズの伝達を遮断し、グラウンドループ干渉を排除して、信号安定性とシステム信頼性を維持できます。

                  一次側の高電圧が二次側へ侵入するのを防止し、低電圧部品と操作者の安全を保護し、医療・産業の安全規格（IEC 60601-1、IEC 62368-1など）に適合します。

                  入力と出力が共通GNDを共有し、絶縁バリアがないため、ノイズが共通GND経路を介して伝達され、干渉やグラウンドループ問題が発生しやすくなります。

                  電気的保護機能はなく、低電圧基板内の電源変換に限定され、安全絶縁機能は備えません。
                  変換効率 絶縁には追加のトランス、巻線、絶縁層が必要となり、磁性損失や導通損失が増えるため、効率は相対的に低くなる場合があります。ただし、高周波スイッチング技術や低損失磁性材料の適用により、効率は大きく改善されています。 構造がシンプルでエネルギー経路が短く、磁性部品や絶縁材料に起因する損失が少ないため、一般的により高い変換効率（90%以上が一般的）を実現できます。
                  サイズ トランス、絶縁構造、安全距離（クリアランス／沿面距離）の要件により、同一電力ではサイズが大きくなりがちで（非絶縁型の約1.5～3倍）、安全絶縁が必要で比較的スペースに余裕のある用途で使用されます。 トランスと絶縁構造を省略でき、コンパクトなレイアウトと小型磁性部品が可能なため、絶縁型に比べて大幅に小型化でき、スペース制約の大きい用途に適します。
                  電圧変換範囲 トランスの巻数比を柔軟に調整することで、広範な昇圧／降圧（例：1,500V → 5V）を実現しつつ、電気的絶縁を維持できます。 昇圧／降圧／昇降圧は可能ですが、電圧変換範囲は限定的で、同一電源ドメイン内の中小比率変換に用いられるのが一般的です。
                  コスト 追加のトランス、絶縁材料、PCBレイアウト、そして安全認証が必要となるため製造コストは高くなり、より高い安全要件を求める用途に適しています。 トランスや高耐圧絶縁構造を省略できるため、BOMコストが低く製造も簡素で、コスト重視・量産用途に適します。
                  用途 産業制御システム（複数モジュール電源ドメインの絶縁）、医療機器（患者絶縁保護）、再生可能エネルギー（高電圧バスと制御回路の絶縁）、鉄道（長距離給電と耐干渉要求）。 民生機器（スマートフォン、タブレット）、車載電子（同一バッテリ系での降圧給電）、センサ／IoTデバイス（小型・高効率要求）。


                  絶縁型DC-DCコンバータを選ぶべきケースとは？

                  • 安全境界が必要：人と接触するHMI、異なるSELV/PELV領域、または基本／強化絶縁の規制要件がある場合。
                  • 接地が不確定／接地電位差がある：システム分割、長距離伝送、または接地電位差によるリスクがある場合。
                  • 差動／コモンモードノイズに敏感：計測、センシング、通信インターフェースなどで、DM/CMノイズ結合を低減するために絶縁が必要な場合。
                  • 前段に高電圧または強いノイズ源：前段で一次／二次の電気的絶縁境界を確立し、後段で電源分配（POL）を行う場合。


                    非絶縁型DC-DCコンバータを選ぶべきケースとは？

                    • 共通GND、基板内POL給電：12/24/48 Vから複数のロジック／コア電圧へ降圧。
                    • 目標が効率・電力密度・コスト：スペース制約が大きく、安全絶縁の要求がない場合。
                    • 高速な多出力：複数の小電力ポイントで、非絶縁降圧は高効率と良好な過渡応答を提供。

                    ※一般的なシステムアーキテクチャ：前段「絶縁」で安全／EMI境界を形成 → 後段「非絶縁」で複数POLを実現。両者を併用することで、それぞれの強みを活かせます。


                    まとめ：選定指針と一般的な電源アーキテクチャ

                    一般に、絶縁型と非絶縁型のDC-DCコンバータには、それぞれ明確な利点と制約があります。選定にあたっては、用途の安全要件、目標効率、コスト予算、電圧変換レンジなどの要素を総合的に評価する必要があります。

                    • 絶縁型は、高低電圧システム間、接地ネットワーク間、または安全規格準拠が求められる用途に適し、優れた安全保護と耐干渉性を提供します。
                    • 非絶縁型は、同一電源ドメイン内での高効率レギュレーションに適しており、特にスペース制約やコスト重視の設計で、性能とサイズのバランスを取りやすい方式です。


                    MINMAX Technologyは、高品質な絶縁型および非絶縁型DC-DCコンバータのリーディング設計・製造メーカーとして、信頼性、電力密度、国際安全認証のバランスを重視したソリューションを提供しています。

                    当社製品の多くは絶縁型設計であり、特に MJWI40 および MKWI80 シリーズは、産業制御、医療機器、再生可能エネルギー用途に強く推奨されます。絶縁要件がなく、スペースとコストの制約が大きい設計には、M78AR-1 series が効率・コスト・出力安定性の最適なバランスを提供します。

                    厳格な安全絶縁が必要な用途でも、最大の電力密度とコストパフォーマンスを重視する用途でも、MINMAXは実績のある認証取得済みの電力変換ソリューションを提供し、安全性、信頼性、そして競争力の高い性能を確保します。