その他 - 突入電流防止回路の設計方法

概要

ここでは、突入電流防止回路の設計方法について記載する。

突入電流防止回路の設計では、突入電流防止素子(温度ヒューズ抵抗orセメント抵抗orサーミスタ)の最小抵抗値、耐量サージエネルギー、定格電流を求める必要がある。
設計方法を記載するにあたり、以下のパラメータを使用する。

• ACライン電圧VINの実行値VINRMS

  100[V]

• ACライン電圧VINの変動率

  ±10[%]

• 出力電力POUT

  200[W]

• 電源効率η

  90[%]

• 力率cosφ

  0.8

• 入力電解コンデンサCINの容量値

  330[uF]

• 周囲温度TA

  10[℃]～35[℃]

• 突入電流IRUSHの仕様

  30[A]

設計手順 1 : 突入電流の仕様から突入電流防止素子の最小抵抗値を求める

突入電流防止素子の最小抵抗値RMINは、ACライン電圧VINのピーク値VPEAK、突入電流IRUSHの仕様によって決まる。
一般的には、20[A]～40[A]が突入電流の仕様となる。

まず、ACライン電圧vINのピーク値VPEAKを求める。
ACライン電圧VINの実行値VINRMSが100[V]、その変動は10[%]なので、ACライン電圧VINのピーク値VPEAKは以下の値となる。
$V_{PEAK}=(V_{INRMS}\times 1.1)\times {\sqrt {2}}=155.6{\mbox{[V]}}$

突入電流I_RUSHの仕様が30[A]なので、突入電流防止素子の最小抵抗値R_MINは以下の値となる。
突入電流防止素子に温度ヒューズ抵抗やセメント抵抗を用いた場合は、下式で求めた値が最小抵抗値R_MINとなる。
$R_{MIN}={\frac {V_{PEAK}}{I_{RUSH}}}=5.19[\Omega ]$

しかし、サーミスタは温度によって抵抗値が変化する。
周囲温度TAの最大値が35[℃]なので、35[℃]の時の最小抵抗値がRMINである必要がある。
例えば、35[℃]の時の抵抗値が25[℃]の抵抗値と比較して0.8倍に低下すると仮定すると、25[℃]の時において必要な最小抵抗値RMIN(25[℃])は以下の値となる。
$R_{MIN}(25{\mbox{[ ℃ ]}})=R_{MIN}\times {\frac {1}{0.8}}=6.48[\Omega ]$

設計手順 2 : 電源投入時のサージエネルギーを求める

次に電源投入時のサージエネルギーEを求める。

電源投入時において、突入電流防止素子にかかるサージエネルギーEは以下の値となる。
下式より、サージエネルギーEは抵抗値依存症がない。また、このサージエネルギーEに耐える素子を選定する必要がある。
${\begin{aligned}E&={\frac {1}{2}}C_{IN}V_{PEAK}^{2}\\&=C_{IN}(V_{AC}\times 1.1)^{2}\\&=3.993{\mbox{[J]}}\end{aligned}}$

突入電流防止素子(サーミスタ・温度ヒューズ抵抗・セメント抵抗)のデータシートには、下図のようなサージエネルギー耐量のグラフ(耐ラッシュ特性)がある。
また、表などに瞬時エネルギー耐量が記載されている。

エネルギー耐量のグラフが記載されている場合には、グラフの値を超えないように選定する。
瞬時エネルギー耐量が記載されている場合には、サージエネルギーEより大きな素子を選定する。

設計手順 3 : 通常使用時に流れる電流の最大値を求める

ACライン電圧vINの実行値VINRMSが100V、ACライン電圧vINの変動率が±10%、出力電力POUTが200W、電源効率ηが90%、力率cosφが0.8なので、通常使用時に流れる電流の最大値IINRMSは以下の値となります。 IINRMS=POUTη×cosφ×0.9VINRMS=3.08[A]

上式において、VINRMSについている0.9ですが、ACライン電圧vINの実行値VINRMSが最小値となるときに、通常使用時に流れる電流が最大値IINRMSとなります。そのため、ACライン電圧vINの実行値VINRMSに対して変動10%を引いた値としています。

安全設計する場合には、上式で求めた値に対してディレーティングを考慮します。ディレーティングを80%とすると、突入電流防止回路に必要な定格電流IRATEDは以下の値となります。 IRATED=IINRMS0.8=3.86[A] 突入電流防止回路の種類には「突入電流防止素子(温度ヒューズ抵抗orセメント抵抗orサーミスタ)のみを使用したパッシブICL」と「突入防止素子(温度ヒューズ抵抗orセメント抵抗orサーミスタ)に並列にスイッチング素子(リレー/トライアック/サイリスタ)を使用したアクティブICL」があります。 突入電流防止回路の種類 「突入電流防止素子(温度ヒューズ抵抗orセメント抵抗orサーミスタ)のみを使用したパッシブICL」の場合、通常動作時は、突入電流防止素子に電流がながれていますので、突入電流防止素子が必要な定格電流IRATEDを満たす必要があります。

一方、「突入防止素子(温度ヒューズ抵抗orセメント抵抗orサーミスタ)に並列にスイッチング素子(リレー/トライアック/サイリスタ)を使用したアクティブICL」の場合、通常動作時は、スイッチング素子に電流がながれていますので、スイッチング素子が必要な定格電流IRATEDを満たす必要があります。

補足 突入電流防止素子にサーミスタを用いた場合、通常使用時に流れる電流の最大値に対して、余裕のある定格電流のものを選定してはいけません。余裕のありすぎるものを使用すると、温度上昇が少なくて抵抗値が下がらず、電源への供給不足となる場合があります。 突入電流の仕様がない場合、電源で使用される素子(ブリッジダイオードなど)の定格電流を突入電流の仕様とします。