この記事では、電源投入時において流れるラッシュ電流(突入電流)を制限する突入電流防止回路について詳しく説明します。
突入電流防止回路とは
突入電流防止回路とは、電源投入時において流れるラッシュ電流(突入電流)を制限する回路です。突入電流リミッタ(ICL:Inrush Current Limiter)や、突入電流制限回路とも呼ばれています。
電源と直列に突入電流防止素子(サーミスタ/温度ヒューズ抵抗/セメント抵抗)を接続することで、電源投入時のラッシュ電流を制限します。この方式の突入電流防止回路をパッシブICLと呼びます。
また、突入電流防止回路で消費される電力を最小限にするために、突入電流防止素子と並列にスイッチング素子(サイリスタ/トライアック/リレー)を接続し、通常使用時において、スイッチング素子をONする方式もあります。この方式の突入電流防止回路をアクティブICLと呼びます。
ラッシュ電流が及ぼす悪影響と突入電流防止回路を接続する理由
上図にコンデンサインプット型の電源構成を示します。ACライン(商用電源)は周波数50Hz(では60Hz)の正弦波電圧です。
突入電流防止回路がない場合、ACラインの電圧\(v_{IN}\)がピーク値となる位相が90度の時において、電源が投入される(スイッチがONになる)と、ACラインからラッシュ電流\(i_{RUSH}\)が流れ、このラッシュ電流は入力電解コンデンサ\(C_{IN}\)に流れます。
ACラインの電圧\(v_{IN}\)の実行値を\(V_{INRMS}\)とすると、ピーク値は\(\sqrt{2}×V_{INRMS}\)となります。ここで、配線インピーダンス\(R_{AC}\)を0.1Ω、入力電解コンデンサの等価直列抵抗\(R_{ESR}\)を0.9Ω、ブリッジダイオードの順方向電圧\(V_{F}\)を1Vとすると、ラッシュ電流\(I_{RUSH}\)は
\begin{eqnarray}
I_{RUSH}=\frac{\sqrt{2}×V_{INRMS}-2V_F}{R_{AC}+R_{ESR}}=140.4[A]
\end{eqnarray}
となり、ピーク値140.4[A]のラッシュ電流が瞬間的に電源に流れます。
このラッシュ電流が、電源内のブリッジダイオードの電流定格を上回ると、ブリッジダイオードが破壊に至る可能性があります。また、入力電解コンデンサ\(C_{IN}\)の静電容量が大きい場合、ラッシュ電流が長時間続くため、ヒューズが溶断する可能性があります(ヒューズのI2t定格を超えるサージエネルギーが印可された場合)。さらに、このラッシュ電流によって、電圧降下が生じるため、ACラインの電圧が瞬時的に低下します。その結果、ACラインに接続されている他の機器が誤動作を引き起こす可能性があります。
そのため、ラッシュ電流を抑制する突入電流防止回路が必要となります。ラッシュ電流を20A〜40A程度に抑制するために、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)を接続します。例えば、ACラインの電圧の実行値\(V_{INRMS}\)が100Vの時において、ラッシュ電流\(I_{RUSH}\)を20Aに制限したい場合、必要な抵抗値Rは以下の式で表されます。
\begin{eqnarray}
R=\frac{\sqrt{2}×V_{INRMS}}{I_{RUSH}}=7.07[Ω]
\end{eqnarray}
電源投入時は、入力電解コンデンサ\(C_{IN}\)の電圧は0Vなので、ACラインの電圧はすべて突入電流防止素子に印可されます(配線インピーダンス\(R_{AC}\)、入力電解コンデンサの等価直列抵抗\(R_{ESR}\)、ブリッジダイオードの順方向電圧\(V_{F}\)を無視した場合)。
補足
配線インピーダンス\(R_{AC}\)(例えば0.1Ω)、入力電解コンデンサの等価直列抵抗\(R_{ESR}\)(例えば0.9V)、ブリッジダイオードの順方向電圧\(V_{F}\)(例えば1V)を考慮すると、必要な抵抗値は以下の式となり、先ほど計算した値より少し小さくなります。
\begin{eqnarray}
R=\frac{\sqrt{2}×V_{INRMS}-2V_F}{I_{RUSH}}-R_{AC}-R_{ESR}=6.02[Ω]
\end{eqnarray}
しかし、突入電流防止素子を回路に接続したままの場合、通常動作時においても電源の消費電流が流れてしまします。
例えば、出力電力\(P_{OUT}\)が200W、電源効率\({\eta}\)が90%、力率\({\cos}{\theta}\)が0.8、入力電圧\(v_{IN}\)の実行値\(V_{INRMS}\)が100Vの場合、突入電流防止素子に流れる電流の実行値\(I_{INRMS}\)は以下の値となります。
\begin{eqnarray}
I_{INRMS}=\frac{P_{OUT}}{{\eta}×{\cos}{\theta}×V_{INRMS}}=2.77[A]
\end{eqnarray}
そのため、例えば、突入電流防止素子の抵抗値\(R\)が10Ωの場合、この電流によって以下の損失\(P_{LOSS}\)が発生します。
\begin{eqnarray}
P_{LOSS}=R×{I_{INRMS}}^2=54.5[W]
\end{eqnarray}
したがって、効率や安全上の観点から、通常動作時においては、スイッチング素子(サイリスタ/トライアック/リレー)をONして、突入電流防止素子を短絡することで損失を低減します。
補足
突入電流防止回路が接続されている箇所
突入電流防止回路はACラインから入力電解コンデンサ\(C_{IN}\)までの経路に接続されます。上図のようにブリッジダイオードの前段or後段、またプラス側かマイナス側かのどちらかに接続されます。
突入電流防止回路の種類
突入電流防止回路はパッシブICLとアクティブICLの2つの方式があります。
- パッシブICL
- アクティブICL
突入電流防止素子が電源と直列に接続されており、スイッチング素子(サイリスタ/トライアック/リレー)を使用しない回路です。
突入電流防止素子が電源と直列に接続されており、突入電流防止素子によってラッシュ電流を抑制した後に、スイッチング素子(サイリスタ/トライアック/リレー)をオンすることで、通常動作時において損失を低減する回路です。
こらから各種類についてどのような回路形態があるのかを説明します。
パッシブICL
抵抗を用いたパッシブICL
単なる抵抗を突入電流防止素子として使用しています。最大数W程度の超小電力向けの突入電流防止回路です。
ACラインに抵抗を接続することでラッシュ電流を抑制します。通常動作時において、抵抗で電力を消費するため、効率が悪くなります。そのため、大電力の電源には適していません。なお、ACラインの配線インピーダンス、入力電解コンデンサ\(C_{IN}\)の等価直列抵抗、ラインフィルタのインピーダンス等を利用することで、そもそも抵抗が不要となる場合もあります。
NTCサーミスタを用いたパッシブICL
温度が低い時は高抵抗であり、温度が高くなると低抵抗となるNTCサーミスタを突入電流防止素子として使用しています。
電源投入前は、NTCサーミスタの温度が低いため、高抵抗の状態です。したがって、電源投入時のラッシュ電流を抑制することができます。通常動作時においては、NTCサーミスタに電流が流れるため、温度が増加し低抵抗となります。この時の抵抗値ははるかに小さい値となります。例えば、Semitec製の「8D2-07」というNTCサーミスタでは、低温状態では8Ωですが、温度が増加すると、0.58Ωまで抵抗値が低下します。通常動作時においてはNTCサーミスタが低抵抗となるため、突入電流防止回路での損失が低減されます。したがって、入力電解コンデンサ\(C_{IN}\)が完全充電された後でもNTCサーミスタを回路内に残したままで問題がありません。
このNTCサーミスタには1つ大きな問題があります。それは、電源を一旦オフした後に短時間(例えば1秒)で再度電源がオンした場合、NTCサーミスタの温度が高く、抵抗値が低い状態なので、突入電流を抑制することができなくなるという問題です。そのため、電源のON/OFFを頻繁に繰り返す用途にはNTCサーミスタは向きません。なお、この問題を解決するための特許が多く考案されています。
また、NTCサーミスタを用いた突入電流防止回路はスイッチング素子を用いないため、低コストなのが特徴です。
加えて、通常動作時において抵抗値が低下するため、突入電流防止回路での損失が低減されますが、中～高の電力レベル(300W～数kW)の電源ではこの損失が無視できないレベルとなります。そのため、このレベルの電力領域ではスイッチング素子(サイリスタ/トライアック/リレー)を利用したアクティブICLが主流になります。
補足
- サーミスタにはB定数という温度変化でどれくらい抵抗値が変化するのかを表すパラメータがあります。このB定数が大きな値ほど動作中の高温状態における抵抗値が下がるため、電力消費が小さくなりますが、低温で抵抗値が上がりすぎるため、低温化においては、電源への供給電力不足となり、定格出力電力が出ず、起動不良が発生する可能性があります。
- サーミスタは常時発熱する部品なので、サーミスタを実装する時は基板温度が高くならないように、基板から浮かせて実装します。リードの長さを長くしたり、リードをフォーミング(曲げること)してリード長を保証する等の工夫を行うことをオススメします。
アクティブICL
スイッチング素子(サイリスタ/トライアック/リレー)を用いたアクティブICL
突入電流防止素子(主に、温度ヒューズ抵抗/セメント抵抗)と並列にスイッチング素子(サイリスタ/トライアック/リレー)を接続している突入電流防止回路です。
電源投入時において、スイッチング素子はオフになっているため、入力電流は突入電流防止素子に流れます。その結果、ラッシュ電流を抑制することができます。通常動作時においては、スイッチング素子をオンし、突入電流防止素子に流れる電流をスイッチング素子にバイパスさせることで、消費電力を最小限に抑えています。
スイッチング素子をオンする方法には様々な方法があります。以下にスイッチング素子をオンする方法の一例を示します。
- 電源内部のトランスで誘起される電圧を利用
- 電源ICを駆動するための電圧を利用
- 出力電圧を利用
電源をオフすると、トランスで誘起されていた電圧が低下するため、スイッチング素子がオフします。その結果、いったん電源をオフした後に、短時間で再度電源をオンした場合でもラッシュ電流を防止することができます。
なお、サイリスタは一方向にしか電流を流すことができないため、スイッチング素子にサイリスタを利用した場合、ダイオードブリッジの後段にしか突入電流防止回路を接続することができません。一方、トライアックとリレーは両方向に電流を流すことができるため、ダイオードブリッジの前段と後段のどちらにも突入電流防止回路を接続することができます。
先ほど説明した「NTCサーミスタを用いたパッシブICL」と比べると、部品点数が多いため、高コストとなります。しかし、通常動作時の電力損失が小さいため、中～高の電力レベル(300W～数kW)の電源ではこの方式が採用されます。
