プリチャージ抵抗｜突入電流を抑え回路信頼性向上

プリチャージ抵抗

プリチャージ抵抗は、電源投入時にDCリンクコンデンサへ流れ込む突入電流（inrush current）を抑制するために直列に挿入する抵抗である。インバータ、UPS、産業用サーボ、EVの高電圧バッテリーシステムなど、大容量コンデンサを備えた装置で広く用いられる。投入直後、コンデンサはほぼ短絡に等しく見えるため、無対策ではスイッチ素子、リレー接点、配線、ヒューズ、さらにはコンデンサ自体を損傷しうる。プリチャージ抵抗は充電電流を指数関数的に減衰させ、所定の電圧まで安全に立ち上げた後、バイパス素子（リレーやMOSFET）で短絡して通常運転へ移行する。

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目的と役割

プリチャージ抵抗の主目的は、突入電流による熱・電磁ストレスを制限し、部品の定格内で立ち上げ動作を保証することである。具体的には、(1)スイッチング素子の一時的な過電流回避、(2)配線・コネクタの電圧降下と発熱抑制、(3)コンデンサのリップル・自己発熱低減、(4)EMC観点での立ち上がり電流スペクトル緩和、を達成する。

動作原理

理想電源電圧をV、コンデンサ容量をC、抵抗値をRとすると、電流はi(t)=\u007bV/R\u007d·exp(-t/RC)、コンデンサ電圧はv(t)=V·(1-exp(-t/RC))で立ち上がる。初期電流はI0=V/Rで、時間定数はτ=R·Cである。充電完了時、コンデンサに蓄えられるエネルギーはEc=1/2·C·V²であり、理想条件では抵抗で消費されるエネルギーも同値Er≈1/2·C·V²となる。ゆえにプリチャージ抵抗には高いパルス耐量（ジュール定格）が要求される。

設計パラメータ

  • 初期電流制限：I0=V/R ≤ 許容突入電流（リレー接点や半導体、ヒューズの定格に基づく）
  • 時間定数：τ=R·C（一般に5τで約99%充電とみなす）
  • パルスエネルギ：Er≈1/2·C·V²（抵抗のジュール耐量≥Erに安全率を乗じる）
  • 瞬時電力：P0=I0²·R=V²/R（ごく短時間のため、連続定格よりパルス定格を重視）
  • 周辺温度・冷却：筐体内温度上昇や自然空冷/強制空冷可否

素子選定の流れ

  1. システム仕様（V、C、許容立上り時間tr、許容I0）を確定
  2. R≥V/ I0から下限を決め、同時にτ=R·C ≤ tr/5で上限側も確認
  3. Er≈1/2·C·V²よりパルス耐量を算出し、データシートのサージ曲線で可否判定
  4. 実装・温度条件でディレーティングし、抵抗形式（ワイヤ wound、厚膜、セメント抵抗など）を選ぶ
  5. バイパス方式（メインリレー/コンタクタ、MOSFET）と制御手順を定義

実装上の注意

プリチャージ抵抗は高エネルギーを消費するため、発熱・絶縁距離・難燃性を考慮する。配線は短くしループ面積を縮小してEMIを抑える。温度センサやサーミスタを近傍に配置し、異常温度で立上りを中断できると安全性が高まる。メインバイパスの投入は、DCリンク電圧が所定閾値（例：目標の90–95%）に達したことを確認してから行う。

故障モードと対策

  • 抵抗開放：立上り不能。対策＝充電完了判定のタイムアウト、フォールト処理。
  • 抵抗短絡：突入電流保護喪失。対策＝メインバイパスの遅延投入、ヒューズ/ブレーカで一次保護。
  • 過熱劣化：抵抗値ドリフト。対策＝十分なパルス耐量と温度ディレーティング、放熱経路確保。

代替方式との比較観点

NTCサーミスタは自己加熱で抵抗が下がり突入を抑えるが、低温始動や短時間再投入で効果が小さくなる。一方、固定値のプリチャージ抵抗＋バイパスは再投入再現性に優れる。MOSFETによるソフトスタートは損失を低減できるが制御回路が複雑化する。用途（EVバッテリー、産業インバータ、DC電源）と要求信頼性で最適解を選ぶ。

制御シーケンス例

  1. メイン経路開放・プリチャージ抵抗経路ON
  2. DCリンク電圧監視（例：目標の95%到達または5τ経過）
  3. メイン経路ON・抵抗経路OFF（バイパス）
  4. 異常時（過電流/過温/電圧未到達）＝停止・アラーム

規格・試験との関係

製品安全（絶縁、クリープ距離、発火性）、EMC（立上りスペクトル・伝導ノイズ）、環境試験（温度サイクル、振動）を念頭に置く。特にプリチャージ抵抗は単発ジュール耐量がボトルネックになりやすく、量産前に実機でのインパルス反復試験・温度上昇測定が有効である。

計算例（400 V/1000 µF）

DCリンクV=400 V、C=1000 µF、I0上限=5 Aとする。R=V/I=80 Ω、τ=R·C=0.08 s、約5τ=0.4 sで充電完了とみなす。Ec=1/2·C·V²=0.5×0.001×(400)²=80 J、抵抗消費も約80 J。初期瞬時電力P0=I²R=25×80=2000 Wだが、指数的に減衰するためパルス定格で評価する。選定としては、ジュール耐量≥80 J、適切なケースサイズと放熱を満たすワイヤwound系セメント抵抗が候補になる。

よくある誤り

  • Rを小さくしすぎてI0が定格超過
  • ジュール耐量不足での長期劣化
  • 再投入条件（コンデンサ残電圧）を無視した制御
  • 抵抗近傍の実装密度過多による熱結合

再投入と残電圧

残電圧Vresがある場合、実質のΔVはV−Vresであり、I0やErは低下する。逆に、短時間再投入でNTC採用時は素子が冷えず抵抗が低いままになり、抑制効果が変動する。固定プリチャージ抵抗はこの点で予測性が高い。

安全率の取り方

量産ばらつき、周囲温度、使用回数を考慮し、ジュール耐量・電圧・抵抗値に20–100%程度の安全率を持たせる。試作段階での温度上昇と波形実測は必須である。

関連部品・周辺要素

  • メインバイパス：リレー/コンタクタまたはMOSFET
  • 計測：電圧検出、シャントまたはホール素子
  • 保護：ヒューズ/サーキットブレーカ、サージ吸収（TVS、MOV）
  • 熱監視：NTC、温度スイッチ

設計チェックリスト

  1. V、C、I0、trの仕様一致
  2. R、τ、Er、P0の算出とマージン
  3. バイパス投入閾値と遅延の整合
  4. 放熱設計と部品実装クリアランス
  5. 量産試験（サイクル、温度、EMI）計画