短絡保護｜過電流を速やかに遮断して安全確保

短絡保護

電源や配電、モータ駆動、電子機器の安全性を左右する基盤技術が短絡保護である。短絡（ショート）は、負荷を介さず低インピーダンスで電源極間が接続され、大電流・大ジュール熱・アークによる損傷や火災、系統停止を招く現象である。短絡保護は、この異常を高速に検出し、電流を遮断・制限・減衰させ、部品や配線・プリント配線板、電源、負荷、周辺環境の損壊を防ぐ設計と試験の総称である。代表的な手段はヒューズや遮断器、eFuseやホットスワップIC、電流制限回路（フォールドバック、ヒカップ）、サイリスタ式クラウバーとヒューズ協調、IGBTデサチュレーション保護、MOSFETのSOA内動作などで構成する。

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短絡のメカニズム

短絡電流は電源の起電力と等価内部インピーダンス、配線・母線・接点抵抗、漏れインダクタンスで決まる。理想電圧源近似では初期di/dtが大きく、配線インダクタンスが電圧反発を生むため過渡サージが重畳する。交流ではゼロクロスが自然遮断を助ける一方、直流はアーク持続性が高く遮断難度が増す。機器側では銅箔トレースやビア、コネクタ接点のI²t許容、熱拡散、クリアランスのアーク耐量が限界要素となる。

検出方式（電流・電圧・半導体内蔵）

  • シャント抵抗＋コンパレータ：しきい値越えで高速トリップ。低コスト・高精度だが損失と温度係数に留意。
  • ホール素子・CT：ガルバニック絶縁で高dI/dtに強い。電力系や高電圧に適す。
  • MOSFET RDS(on)センシング：電圧降下から電流推定。部品点数削減だが温度補正が必要。
  • IGBTデサチュレーション検出：VCE(sat)逸脱で短絡判定しゲート引き抜き。数µs級で動作。
  • DCR（インダクタ直流抵抗）推定：スイッチング電源での過電流・短絡保護に利用。

主な保護素子・回路

  • ヒューズ：I²t整合が要。動作カテゴリ（例：gG、aR）と遮断容量、溶断特性（速断・遅延）を回路エネルギと整合させる。関連項目：ヒューズ
  • 配線用遮断器（MCB/MCCB）：熱磁気式で過負荷と短絡を選択遮断。遮断容量と限流特性の整合が重要。
  • eFuse/ホットスワップIC：高速電流制限、SOA保護、ヒカップ再起動、過熱連動など集積。サーバ背面やバックプレーンに有効。
  • クラウバー：ツェナー＋SCRで電源を強制短絡→ヒューズ溶断で永久遮断。過電圧併用で堅牢。
  • PTCリセッタブル：ポリスイッチで自己復帰する電流制限。連続短絡時の発熱に注意。

設計指針とI²t協調

短絡保護は「発生源のエネルギ」と「素子の許容I²t」を突き合わせる協調設計が核である。想定最悪短絡（プロスペクティブ短絡電流）をZsourceから算出し、配線・トレース・コネクタ・半導体のパルス許容、ヒューズの溶断I²t、遮断器の限流特性、電源のコンプライアンス（電圧降下・電流制限）を総合する。ケーブル加熱と端子温度上昇、銅箔のfusing電流、アーク間隙の絶縁回復も評価対象である。

周辺部品の誤用に関する注意

TVSダイオードはサージ吸収素子であり、連続短絡の電力処理には適さない。NTCサーミスタは起動突入電流を抑えるが、短絡保護の主役にはならない。メインはヒューズ・遮断器・能動限流であり、サージ保護や突入抑制は補助で位置付ける。

直流と交流の違い

交流は半周期ごとに電流ゼロ点を持ちアーク遮断が容易だが、直流はアーク伸長・磁気吹き消し・高速限流が鍵となる。DC定格の遮断器やヒューズを選ぶこと、直列・並列アーク対策、逆起電力を考慮したスナバやフリーホイール経路の設計が不可欠である。

パワー半導体の保護

MOSFET/IGBTはSOA内動作を厳守する。ゲート抵抗とスルーレート、ミラー効果、レイアウトの寄生Lで短絡時VDS/VCEが跳ね上がるため、クランプ（RCD/TVS）、デサチュレーションシャットダウン、ゲートミラークランプ、ヒカップ制御を併用する。並列素子は電流分担と熱結合、ソース/エミッタ抵抗のデグレード防止が肝要である。

バッテリーシステムにおける短絡保護

BMSはセル電圧・電流・温度監視と高速短絡判定を備え、接触器やソリッドステートリレーを開放する。プリチャージ抵抗でコンデンサ群の突入を抑え、外部短絡時はミリ秒未満で遮断する。セル間ヒューズやモジュールヒューズ、母線設計、シャントのレイアウトは熱拡散とクリアランス・クリーぺージを満たすこと。関連項目：セル電圧、セル温度

評価・試験の観点

  • 想定短絡点（出力端・内部ノード・外部ハーネス）での実機試験：温度計測、アーク挙動、煙・発火有無。
  • I²tマージン測定：ヒューズ・配線・半導体の許容に対する比率評価。
  • 規格整合：装置カテゴリに応じてIEC/UL（例：UL248、IEC60127、IEC62368-1）や機能安全（IEC61508、ISO26262）の要求に適合。

実務のチェックリスト

  1. 最悪条件のプロスペクティブ短絡電流を算出し、保護素子の遮断容量・I²tと整合させる。
  2. レイアウトでループ面積と寄生Lを最小化し、クランプとスナバを配置する。
  3. 直流系はDC定格の遮断器・ヒューズを選定し、アーク対策を実装する。
  4. 能動限流（フォールドバック/ヒカップ）と受動遮断（ヒューズ/遮断器）を階層化する。
  5. 試験で温度・アーク・煙を確認し、再発防止設計（原因木）を残す。関連項目：バッテリーセルバランス、クーロンカウンタ