アーク故障は、現代の電力システムにおいて最も危険で損害の大きい故障モードの一つです。 ソーラーインバータやバッテリー蓄電システムから、AIデータセンター向け電源分配装置（PDU）や直流（DC）高速充電器に至るまで、市場はエッジ上で提供されるリアルタイムのアーク故障検出技術へと急速にシフトしており、高信頼性と低消費電力が求められています。
アーク故障回路遮断器（AFCI）は、これまで以上に重要となっています。なぜなら、アーク故障は火災を引き起こし、機器に損傷を与え、深刻なダウンタイムを招きかねないためです。 従来の保護手法では、以下のような課題への対応が困難です：
- 高周波ノイズ
- 広範囲な動作電流
- 複雑な負荷
- 変化する環境条件
ルネサスは、設計の柔軟性、構成の自由度、そして高精度なアーク故障検出を実現する2つのハードウェアアプローチにより、AFCIの実装を支援しています。 ミックスドシグナルの構成可能性、MCUのインテリジェンス、そしてエッジAI推論を組み合わせることで、ルネサスは従来型ソリューションを進化させ、設計の選択肢を最大化し、信頼性を確保します。
MCUインテリジェンスに基づくアーク検出のためのリアルタイムAI
アーク故障検出のためのリアルタイム解析は、安全性を高め、誤検出を低減し、電力システムにおける予防保全を可能にします。 この技術は、最大200MHzで動作するArm® Cortex®-M33プロセッサを搭載したRA6M3/RA6M4 MCUと、DSPに最適化されたアーキテクチャにより実現されています。 AI推論は、Reality AITools®によって生成されたリアルタイム分析（RTA）モデルと接続することで可能になります。 推論時間は最短で10msから最長でも250msと非常に短く、リアルタイム保護を可能にします。 この手法により、直列アークおよび並列アーク、抵抗負荷条件下での微小アーク、異常電流波形の確実な検出が可能となり、従来のアナログ方式では困難だった課題を克服しています。 Reality AI Utilitiesによってサポートされるデータ収集／データ保存（DC/DS）機能は、データの取得とモデルの繰り返し学習を実行し、異常な電流プロファイル、改ざん、危険な配線の迅速な検出を可能にします。
アナログフィルタリングのためのハードウェアアプローチ
GreenPAK™およびAnalogPAK™のプログラマブル・ミックスドグナルデバイスは、超低消費電力でコンパクトかつ構成自在なアナログ・フロントエンドを提供し、高速なアーク故障検出に最適なソリューションです。 以下の特長により、ユーザは自社製品に対するAIによる分類精度を高めることができます。
- アナログ-デジタル変換器（ADC）、プログラマブル・ゲイン・アンプ（PGA）、コンパレータ、シリアル・ペリフェラル・インターフェース（SPI）を統合
- 低遅延のミックスドシグナル処理
- ハードウェアレベルでの高信頼性（AEC-Q100対応オプションあり）
- 電流トランス（CT）、シャント抵抗、センサコイルを用いた検出に対応した柔軟な信号調整機能
- （修正後）量産機器に最適な、コスト効率と基板面積の縮小を両立した部品構成（BOM）
GreenPAKは、MCUに信号が到達する前に、急激に変化するアーク信号をフィルタ処理・波形整形しデジタル変換することで、AI（人工知能）や機械学習（ML）による分類に適したクリーンなデータを提供します。
- Future Electronicsが提供するAFCIターンキーハードウェアプラットフォームにより、迅速な評価と製品化までの時間短縮が可能です。 このプラットフォームはクラウドに依存しません。 推論処理をすべてエッジ側で行うため、処理時間を短縮できます。 また、ワンボタン自動キャリブレーション機能を備え、一度のボタン操作で環境に応じた素早いチューニングが可能です。 さらに、このプラットフォームは、量産市場を対象とするすべてのOEMの多様なニーズに対応できるスケーラブルな設計となっています。 このアプローチにより、以下のような利点が得られます：
- センサコイル入力と信号調整用ボード
- 高速サンプリング（12ビットADCにより250kHzで取得）
- RA6M4上で動作するAIモデルによる信号処理
- ワンボタン自動キャリブレーション機能による迅速な環境チューニング
- クラウド不要（推論処理はすべてエッジで実行）
- 量産OEM向けのスケーラブルな設計
エンドツーエンドAFCIパイプラインシステムの仕組み
- 変流器（CT）またはセンサコイルが高周波のノイズ成分を検出
- GreenPAK／AnalogPAKまたはディスクリート部品で構成されたフィルタが、信号フィルタリング、ADC変換、SPIストリーミングを実行
- RA MCUはデータフレームを受信し、以下の処理を実行します。
- デジタル信号処理（DSP）による前処理
- 特徴量抽出
- Reality AIで学習されたモデルを用いたリアルタイムAI分類
- Decision Engineがアラート、シャットダウン、保護動作を引き起こします。
このハイブリッドアーキテクチャは、産業用、民生用、再生可能エネルギー分野のAFCI市場向けに最適化されています。
当社のAFCIプラットフォームは、開発上の障壁を大幅に低減し、太陽光発電OEM、eモビリティ機器、バッテリーツール、電気自動車（EV）充電器、データセンター用PDUなどに最適な、以下の特長を持つソリューションです：
- 迅速な市場投入 ：事前検証済みのハードウェアと移植可能なAIモデルにより、数か月ではなく数週間でAFCI製品を市場投入可能。
- 業界最高水準の検出精度 ：ルネサスのReality AIツールで学習されたモデルは、従来のアナログ回路では捉えきれない高次元の信号特徴を活用。
- コスト最適化 ：GreenPAKは多数のディスクリート部品を1つのICに統合し、基板面積、コスト、消費電力、サプライチェーンの複雑さを削減。
電気アークは世界的に増大する安全上の課題です。 当社の実用的で高精度かつスケーラブルなAFCIプラットフォームにより、ユーザーはアプリケーション内で危険な電気アークの発生を防止できます。 ルネサスは、次世代の安全でインテリジェントな電力システムを構築するために必要なすべてを提供します。提供物にはシリコンからソフトウェア、包括的なリファレンスデザインまで含まれており、太陽光インバータ、太陽光発電（PV）、バッテリーエネルギー貯蔵システム、EV充電器およびそのインフラ、AIデータセンター、eモビリティ、産業機器、スマートホーム、電気保護用途に対応しています。
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