コンデンサの突入電流の抑制:電源用の NTC サーミスタのサイズを決定する方法

突入電流の問題

フロントエンドに大容量電解コンデンサを搭載した電源を設計したエンジニアなら誰でも、電源投入時に恐ろしい「ゴロゴロ」という音を聞いたことがあるでしょう。さらに悪いことに、ヒューズが切れたりブリッジ整流器が故障したりするのを見たことがあるでしょう。原因は突入電流、つまり放電したコンデンサをゼロに近いインピーダンスで電圧源に接続したときに流れる瞬間的なサージです。

スイッチオンした瞬間、放電したコンデンサは短絡したように見えます。ピーク電流は、電源インピーダンス、配線抵抗、および経路に意図的に配置した直列素子によってのみ制限されます。ブリッジ整流器の背後に330µFのバルク・キャップが付いた一般的なオフライン電源では、325Vのピーク電源ラインへのピーク突入電流が数ミリ秒で100Aを超えることが簡単にあり、リレー接点、トリップブレーカ、または定格をはるかに超える応力部品を溶接するのに十分です。

最も簡単で費用対効果の高い解決策は、NTCサーミスタをACラインと直列に接続することです。低温時には抵抗が比較的高くなるため、サージが制限されます。電流が流れてサーミスタが自己発熱すると、サーミスタの抵抗値は低い「高温」値まで下がり、定常状態の電力損失が最小限に抑えられます。そのサイズを正しく設定することがエンジニアリング上の課題です。

重要な関係

直列抵抗を流れ、直流と同等のピーク電圧「MATHINLINE_9」から充電された放電コンデンサに流れるピーク突入電流は、次のとおりです。

「MATHBLOCK_0」

ここで、「MATHINLINE_10」は周囲温度 (通常は 25 °C) での NTC 抵抗です。これは、コンデンサが完全に放電した状態で AC サイクルのピーク時に電力が供給されるという最悪のシナリオです。

充電時定数は次のようになります。

「マスブロック_1」

これにより、コンデンサの充電速度がわかり、さらに重要なこととして、電流が減衰するまでにサーミスタがエネルギーを吸収しなければならない時間がわかります。

突入時に NTC が吸収しなければならないエネルギーは、おおよそ次のようになります。

「MATHBLOCK_2」

完全に放電したコンデンサ (「MATHINLINE_11」) の場合、以下のように簡略化できます。

「MATHBLOCK_3」

これは単純化していることに注意してください。NTCとコンデンサはそれぞれ、RC充電時に電源から供給される総エネルギーの約半分を吸収するため、サーミスタは約「MATHINLINE_12」のエネルギーを吸収します。この値は NTC の最大定格シングルパルスエネルギーよりも低く抑える必要があります。これを超えると、サーミスタにクラックが発生したり、フェールオープンしたりする可能性があります。

動作例:230 VAC オフライン電源

一般的なシナリオに合わせて NTC のサイズを決めてみましょう。

-電源電圧: 230 VAC RMS →「MATHINLINE_13」 -フィルターキャパシタンス:「マチンライン_14」 -目標ピーク突入電流:「MATHINLINE_15」 -NTC 高温抵抗:「MATHINLINE_16」(動作温度時のデータシートより)

ステップ 1 — 必要な耐寒性:

「マスブロック_4」

この場合、25 °C で 22 Ω という標準 NTC 値を選択することになります。

ステップ 2 — 選択した値でピーク突入電流を確認:

「MATHBLOCK_5」

15Aの目標値を十分に下回っています。よし。

ステップ 3 — 時定数:

「マスブロック_6」

突入イベントは、「MATHINLINE_17」（約2回のフルメインサイクル）内で実質的に終了します。この時間帯にサーミスタは自己発熱し始めますが、限界は低温抵抗が支配的です。

ステップ 4 — NTC が吸収するエネルギー:

「MATHBLOCK_7」

少なくとも 17.4 J のシングルパルスエネルギーに対応する NTC が必要です。Ametherm SL32 2R522 (22 Ω、定常状態では 2.2 A、最大エネルギーは 45 J) のようなデバイスが、余裕のある候補として適しています。

ステップ 5 — 定常状態での損失チェック:

全負荷時に、電源が NTC を介して 2 A RMS を消費すると仮定します。高温抵抗の損失は次のようになります。

「マスブロック_8」

管理は可能ですが、無視できるものではありません。効率に影響します。高電力設計 (約200W以上) では、エンジニアは起動後にNTCをバイパスするリレー付きのアクティブ・インラッシュ・リミッタに切り替えることがよくあります。

実用的な設計上の考慮事項

ワーストケースのタイミング: 絶対最悪のケースは、コンデンサが完全に放電した状態で AC ピークに電力が供給される場合です。製品の電源を迅速に再投入できる場合、NTC は前のサイクルからまだ温かい (抵抗が低い) ため、次の突入電流を効果的に制限できない可能性があります。データシートにはクールダウン時間 (通常は 30 ～ 60 秒) が記載されています。アプリケーションで高速サイクリングが必要な場合は、バイパスリレー付きの固定抵抗器またはアクティブリミッタICの使用を検討してください。 ディレーティング: NTC エネルギー定格は周囲温度25 °Cで規定されています。暖かいエンクロージャー (たとえば 50 °C) では、サーミスタは低い抵抗値で起動し、1 回のイベントでより多くのエネルギーを吸収します。それに応じてディレーティングを行いましょう。エネルギーマージンを 30% にするのが妥当な最小値です。

複数のコンデンサ: 複数のコンデンサを異なるレールにまたいですべて同時に充電する設計の場合は、それらの「MATHINLINE_18」の寄与分を合計して、NTC が処理しなければならない総エネルギーを求めます。 配置: NTC はブリッジ整流器の前で AC ラインと直列に接続されています。こうすることで、初期充電中の両方のハーフサイクルで電流を制限できます。

試してみてください

新しい電源のスペックを決定するたびにこれらの計算を手作業で行うのではなく、[突入電流リミッター (NTC) 計算ツールを開く] (https://rftools.io/calculators/power/inrush-current-limiter/) して、電源電圧、静電容量、目標突入電流、NTC 高温抵抗を入力してみてください。このツールは、必要な耐寒性、ピーク電流、時定数、吸収エネルギーを瞬時に返すので、最初の試しで適切なサーミスタを選ぶために必要な数値が得られます。