【過電流保護の種類】『フの字特性』・『垂下特性』・『ヘの字特性』を解説！

この記事では過電流保護について

などを図を用いて分かりやすく説明しています。

過電流保護の種類

過電流保護とは、負荷の短絡時や負荷の異常時などによって出力電流I_OUTが過大となった場合に、負荷と電源を保護する機能です。過電流が流れるのを防止することによって、電源内の素子(MOSFET,ダイオード,IC,抵抗等)の劣化や破壊を防止することができます。

この過電流保護には逆L字垂下特性、フの字特性、ヘの字特性など様々な特性の種類があります。

また、過電流保護時の動作として、自動復帰型やラッチ型などがあります。

補足

過電流保護は英語では「Over Current Protection」と書きます。

過電流保護には逆L字垂下特性、フの字特性、ヘの字特性など様々な特性があります。各特性の特徴を以下に示します(後ほど詳しく説明します)。

過電流保護の特性

出力電流I_OUTが過電流設定値I_LIMITに達すると、出力電流I_OUTが定電流状態のまま出力電圧V_OUTが直線的に垂下する特性

出力電流I_OUTが過電流設定値I_LIMITに達すると、出力電流I_OUTも出力電圧V_OUTも低下する特性

出力電流I_OUTが過電流設定値I_LIMITに達すると、出力電圧V_OUTが低下するが出力電流I_OUTが増加する特性

上図に逆L字垂下特性における出力電流I_OUTを徐々に増加させた時の出力電圧V_OUTの変化を示しています。

出力電圧I_OUTが過電流設定値I_LIMITに達すると、出力電流I_OUTが定電流状態のまま出力電圧V_OUTが直線的に垂下します。出力電流I_OUTを定電流にするため、電源内の素子に過電流が流れることを防止することができますが、発熱は防止することができません。

シリーズレギュレータ(リニアレギュレータの一種)において、『逆L字垂下特性』の過電流保護が動作した時を考えてみます。

シリーズレギュレータでは、入力電流I_INと出力電流I_OUTがほぼ等しくなるため、過電流動作時は入力電流I_INも定電流を維持します。また、シリーズレギュレータでの損失P_LOSSは次式で表されます。

\begin{eqnarray}
P_{LOSS}=(V_{IN}-V_{OUT})×I_{OUT}\tag{1}
\end{eqnarray}

そのため、入力電圧V_INが一定で出力電流I_OUTも一定の場合、出力電圧V_OUTが低下するほどシリーズレギュレータにかかる電圧が増加するため、(1)式より損失P_LOSSが増加します。

この損失P_LOSSにより、シリーズレギュレータ内の素子の温度が上昇して、定格温度を超える可能性があります。定格温度を超えると、熱破壊を引き起こす可能性があるため、シリーズレギュレータにおいて、『逆L字垂下特性』の過電流保護の場合には、加熱保護回路が別途必要となります。

一方、DC/DCコンバータ(スイッチングレギュレータの一種) において、『逆L字垂下特性』の過電流保護が動作した時を考えてみます。

DC/DCコンバータの入力電流I_INは次式で表されます。

\begin{eqnarray}
I_{IN}=\frac{I_{OUT}×V_{OUT}}{V_{IN}×効率η}\tag{2}
\end{eqnarray}

そのため、入力電圧V_INが一定で出力電圧V_OUTが低下すると、(2)式より入力電流I_INも低下するため、過電流保護時において、シリーズレギュレータより損失がはるかに小さくなります。

補足

上図にフの字特性における出力電流I_OUTを徐々に増加させた時の出力電圧V_OUTの変化を示しています。

出力電圧I_OUTが過電流設定値I_LIMITに達すると、出力電流I_OUTも出力電圧V_OUTも低下します。

出力電圧V_OUTの低下に応じて出力電流I_OUTも下げる動作を繰り返しB点に達します。B点では、出力電流I_OUTが小さいため、『逆L字垂下特性』において問題点だった発熱を防止することができます。そのため、『フの字特性』は安全な保護特性と言えます。

しかし、負荷が『定電流負荷』・『起動時に大電流が流れるモータ』・『大容量のコンデンサが接続されている負荷』などの場合、起動時に突入電流で『フの字特性』の領域に入り、出力電圧V_OUTが立ち上がらない場合があります。この場合、保護が働いたまま安定してしまいます。

補足

出力電圧V_OUT-出力電流I_OUTの特性がカタカナの「フ」の文字に似ていることから『フの字特性』と呼ばれています。
『フの字特性』は、出力電流I_OUTが0Vの時において、出力電流I_OUTが0A(C点)まで低下するタイプと定格電流の数分の1(B点)までしか低下しないタイプがあります。
『フの字特性』は『フォールドバック形』・『フォールドバック電流制限』・『フォールドバック制御形』・『フの字形』・『フの字垂下形』・『フの字負荷特性』など様々な呼ばれ方があります。
この特性は英語では『Fold Back Characteristic』と書きます。
出力電圧V_OUTが0Vになるときの出力電流I_OUTを出力短絡電流と呼びます。