DCサージ保護装置

DC サージ保護デバイスは、DC 電源システムおよび機器を突然の電圧スパイクやサージから保護するように設計されています。DC SPD は電圧サージを抑制または迂回させ、敏感な電子部品の損傷、システム障害、さらにはデータ損失を防止します。

動作原理

効果的な保護を確実にするためには、DCサージ保護装置の適切な選択、設置、メンテナンスが必須です。 電圧サージ保護 DC システムでは、DC SPD のパフォーマンスの有効性は、サージ定格、クランプ電圧、応答時間、特定のアプリケーションなどの要因によって異なります。

DC サージ保護装置の動作は次のように分類できます。

サージ検出

DC サージ保護装置は、DC システムで定格を超える電圧サージを検出します。この装置は通常、サージを検出するための特別な回路を利用して電圧レベルを監視します。

電圧クランプ

DC サージ保護デバイスは、金属酸化物バリスタ (MOV) やガス放電管 (GDT) などのコンポーネントを使用して電圧クランプを実現します。これらのコンポーネントは、通常の範囲内の電圧に対して高い抵抗を示し、通常の電流の流れを可能にします。

ただし、しきい値を超える電圧サージはコンポーネントの抵抗を大幅に減少させ、サージ電流の低インピーダンス パスを作成します。電圧がサージと見なされるしきい値は、クランプ電圧またはレットスルー電圧と呼ばれます。

エネルギー吸収

サージ保護デバイスの主要コンポーネントは、電圧サージがデバイスに流れたときに余分なエネルギーを吸収します。金属酸化物バリスタ (MOV) は、高電圧で破壊され、サージを熱として放散するように設計されています。

DC SPDの分類

DC サージ保護デバイスを構成に基づいて分類し、共通の基準を使用する方法はいくつかあります。DC SPD を分類する一般的な方法は、次のように主要コンポーネントに基づいています。

自動車用SPD

自動車用途のサージ保護デバイスは、車両内の電子システムとコンポーネントを破壊的な過渡現象や電圧サージから保護します。このような現象は、EMI、負荷ダンピング、誘導性キックバックによって発生する可能性があります。

金属酸化物バリスタ (MOV) を備えた DC SPD

MOV は DC SPD の一般的なコンポーネントであり、サージを迂回させて機器を保護するための電圧クランプ機能とエネルギー吸収機能を提供します。金属酸化物バリスタを使用する DC SPD には、DC 要件に応じてさまざまな電圧定格と構成があります。

ガス放電管 (GDT) を備えた DC SPD

GDT は DCSPD で使用されるサージ保護コンポーネントでもあり、高速応答時間と高サージ電流の処理能力を備えています。このような DC SPD は、通信システムなどの堅牢なサージ保護が必要な DC アプリケーションで使用されます。

シリコンアバランシェダイオード（SAD）を備えたDC SPD

SAD は、低いクランプ電圧と高速応答時間を提供することで電圧過渡現象から保護するように設計された半導体デバイスです。SAD ベースの SPD は、正確な電圧クランプと低い通過電圧を必要とする繊細な電子機器や通信システムで利用されています。

ハイブリッドサージ保護装置

これらのサージ保護デバイスは、SAD、MOV、GDT などの複数のテクノロジーを組み合わせて、過渡現象に対する保護性能を強化します。個々のコンポーネントの長所を活用して、さまざまな過渡現象や電圧サージに対する包括的な保護を提供します。

太陽光発電サージプロテクター

これらのサージ保護装置は、太陽光発電システムを電気的障害から保護するために特別に設計されています。その設計は、直流電源による太陽光発電設備の並外れた要求と、太陽光発電パネルの確実な動作に対応できます。

DC SPDの特徴

DC サージ保護デバイスを選択する際には、その機能とシステム要件を考慮することが不可欠です。これにより、選択したデバイスがタスクに適切に適合していることが保証され、損傷やダウンタイムのリスクが軽減されます。

DC 電源システムにおける DC サージ保護デバイス (SPD) の性能と信頼性は、さまざまな機能によって決まります。DC SPD で説明されている一般的な機能の一部を以下に示します。

電圧定格

DC サージ保護デバイスは、保護対象の特定の DC 電源システムに対応するさまざまな電圧定格を使用します。DC システムの電圧定格と一致するかそれを超える電圧定格を持つ DC SPD を選択することが、パフォーマンスの有効性を確保するのに最適です。

クランプ電圧

DC SPD のクランプ電圧とは、サージ イベント中に通過できる最大電圧を指します。電圧がクランプ電圧を超えると、DC SPD は過渡電圧を迂回または吸収して機器を保護します。

クランプ電圧が低い DC SPD は、機器に供給される電圧量を制限するため、より低いクランプ電圧の DC SPD を使用することをお勧めします。その結果、DC 電源の機器をより適切に保護できます。

サージ電流処理

DC SPD のサージ電流処理能力は、損傷なく安全に迂回または吸収できる最大サージ電流を定義します。DC SPD は、特定のサージ電流を管理するように設計されており、これはアプリケーションに SPD を選択する際に重要な機能です。

応答時間

DC サージ保護デバイスの応答時間によって、サージ イベントへの反応の速さが決まります。応答時間の速い DC SPD は、サージ電流の迂回を早く開始してサージに対する保護を迅速に提供し、損傷の可能性を減らします。

DC SPDとAC SPDの比較

DC サージ保護デバイスと AC サージ保護デバイスの主な違いは、使用されている電源システムによって異なります。そのため、電圧定格、サージ処理能力、応答時間、および標準に関して、両者の間にはわずかな違いがあります。

以下の記述は、DC サージ保護デバイス (SPD) と AC サージ保護デバイス (SPD) の類似点と相違点の一部を示しています。

周波数処理

DC システムで使用されるサージ保護デバイスは、DC 電圧が一定であるため、周波数の指定がありません。一方、AC システムで使用されるサージ保護デバイスには異なる周波数のニーズがあり、異なる取り扱いが必要です。

極性感度

DC システムのサージ保護デバイスは極性に敏感なので、正しい端子の位置合わせで取り付ける必要があります。AC システムでは電圧の方向が常に変化するため、特定の端子指定はありません。

サージ検出とクランプ

システム設計に応じて、DC SPD と AC SPD はどちらも電圧サージを吸収するか安全なレベルに迂回させることで電圧サージに対処します。ただし、電圧特性が異なると、検出とクランプに適用されるメカニズムが変わる可能性があります。

電圧定格

DC および AC サージ保護デバイスには、使用中のシステムに固有の定格電圧があります。ほとんどの DC システムの定格電圧は、最大 400V になる AC システムよりも低くなっています。

電圧タイプ

これは、直流システム用に設計された DC SPD と交流システム用に設計された AC SPD の基本的な違いです。

DC SPDの主なパラメータ

DC サージ保護装置のパラメータは、電圧サージに対する特定の DC システムでの性能と適合性を定義します。したがって、これらのパラメータと使用予定のシステムを慎重に検討することが、効果的なマッチングにとって不可欠です。

DC サージ保護デバイスに提供される主なパラメータは次のとおりです。

• 漏れ電流: DC サージ保護装置が正常に動作している場合、漏れ電流は装置を流れる最小電流を表します。漏れ電流が低いほど、熱放散と電力損失が減少するため、望ましいです。
• 最大連続動作電圧: システムの定格電圧に応じて、サージ保護デバイスが作動する DC 電圧を定義します。
• 公称放電電流: サージ イベントが発生したときに DC サージ保護デバイスが放電できる最大電流値を表します。
• 動作温度範囲: DC サージ保護デバイスが最適に機能できる温度を定義します。このパラメータは、保護を必要とする DC システムが極端な温度条件で動作する場合など、アプリケーションに特化しています。
• 電圧保護レベル: 作動中の DC サージ保護デバイスの端子間の最大電圧を表します。サージ保護デバイスを通過する電流が公称放電の電流と一致したときに達成されます。

DC SPD の主要コンポーネント

DC サージ保護装置は、高電圧サージを軽減するためにさまざまな電子部品を採用しています。これらの部品はさまざまなタイプに分類でき、長所を活かすために複数の技術を組み合わせて使用するものもあります。

DC サージ保護装置で使用される主なコンポーネントには、次のものがあります。

• ガス放電管（GDT）

ガラスまたはセラミックのチューブ内に封入され、通常はアルゴンなどの不活性ガスで分離された 2 つの冷陰極板で構成されています。補助的なトリガー剤を使用して放電をトリガーする確率を高め、2 極構成と 3 極構成の両方で使用できます。

• 過渡電圧抑制（TVS）ダイオード

これらは、逆方向と指定されたブレークダウン ゾーンで動作する特殊なダイオードです。電圧をクランプして調整します。クランプ電圧が低く、応答が速いため、最終層としてマルチレベルの保護回路で使用できます。

• 金属酸化物バリスタ（MOV）

MOV は、非線形抵抗を示す金属酸化物として酸化亜鉛を使用した半導体です。電圧の変動は、直列および並列に接続された複数の PN 接合に似た動作原理で抵抗値の変化を反映します。

• スパークギャップ

通常、一定の距離を置いて空気にさらされた金属棒のペアで構成され、一方の棒は中性線または電源相線に接続されます。もう一方の棒は接地端子に接続され、電圧サージによって分離が破壊され、サージが逸らされます。

• チョークコイル

同一サイズおよび同一巻数で対称的に巻かれたコイルペアリングで構成されるフェライト コアを使用し、4 つの端子を備えたデバイスを実現します。主に、差動モード信号漏れインダクタンスへの影響を最小限に抑えながら、大きな共通モード信号インダクタンスを軽減します。

DC SPDを使用する利点

DC SPD を採用することで、DC 電源システムの電圧サージに対する脆弱性を効果的に軽減し、機器の保護、システムの信頼性、および全体的な運用の安全性を促進できます。

DC サージ保護デバイスを利用する利点の概要を以下に説明します。

i. 機器の保護: これは、DC システムにサージ保護デバイスを構成する主な利点です。過度の電圧サージを迂回または抑制して、機器を損傷から保護します。

ii. 機器寿命の延長: DC SPD によってサージの有害な影響を回避すると、機器をより長く機能させることができます。保護されていない機器は電圧サージに簡単に屈し、損傷やパフォーマンスの低下を引き起こします。

iii. 安全性の保証: サージ イベントが発生すると、特に高エネルギーの DC 電源を使用する産業環境では安全上の危険が生じます。これらのデバイスは、サージ エネルギーを吸収またはリダイレクトすることで、電気障害、火災、その他の安全上の危険の可能性を低減します。

iv. システムの信頼性: サージ保護装置は、保護の役割において DC システムの信頼性の向上に貢献します。機器の故障のリスクを軽減し、継続的な運用を維持し、中断を最小限に抑えます。

SPDを選択する際に考慮すべき要素

DC サージ保護デバイスを選択するときは、必要な保護を提供するシステムと互換性があることを確認してください。これにより、電圧過渡に関連する潜在的なリスクを最小限に抑えるという役割を活用できます。

考慮すべき重要な要素は次のとおりです。

• 現在の評価: DC SPD の電流定格は、システムの最大動作電流をサポートできる必要があります。これにより、結果として生じるシステム負荷が過熱して故障に至ることはありません。
• メーカーの評判: 製造元を調べて、高品質の SPD を製造し、優れた顧客サポートを提供するという評判と信頼性を評価します。
• 応答時間: サージ保護デバイスの応答時間は、サージ イベントに対する反応速度を示します。過渡現象に迅速に対処し、差し迫った損傷を相殺するには、応答時間が短いことが望まれます。
• 標準準拠: DC サージ保護デバイスが必要な業界標準に準拠していることを確認します。これらの標準により、購入するサージ保護デバイスがパフォーマンス基準を満たしていることが保証されます。
• サージ電流容量: DC SPD の予想されるサージ電流容量を評価し、過負荷になることなくサージを効果的に処理できることを確認します。
• 電圧定格: DC システムの最大動作電圧によって、DC SPD の電圧定格が決まります。効果的なサージ保護を実現するには、この値と一致するか、それを超える必要があります。

DC SPDのインストール

DC サージ保護デバイスの設置は、効果のないパフォーマンスや損傷を避けるために慎重に行う必要があります。設置を行うときは、モデル、システム特性、および地域の規制に留意してください。

インストール プロセスに関する重要な考慮事項は次のとおりです。

1. 保護する機器にできるだけ近い適切な場所を選択してください。また、メンテナンスや検査の際にアクセスしやすい場所にもする必要があります。
2. DC サージ保護デバイスを取り付ける際は、製造元の指示に従ってください。適切なハードウェアとクリアランスを使用して適切な表面にしっかりと固定し、十分な放熱と換気を確保してください。
3. 標準ケーブルまたは導体を使用して、指示に従って DC サージ保護デバイスを電源システムに配線します。これらは適切な終端処理が施され、最大予想電流を処理できるものでなければなりません。
4. DC SPD によるサージ電流の安全な迂回を支援するために、信頼性が高く抵抗の低い接地システムを構成します。

DCサージ保護装置のテスト

DC サージ保護デバイスをテストすると、その機能が検証され、電圧サージから機器を効果的に保護できることが保証されます。テストを行うときは、SPD が準拠する必要がある特定の応答特性とテスト結果を比較します。

一般的に使用されるテストは次のとおりです。

• 絶縁抵抗試験: ここでは、SPD を DC 電源から切断し、デバイスと接地端子間の抵抗を測定します。これにより、漏れや障害の経路が存在しないことが保証されます。
• 電圧降下テスト: このテストでは、電圧降下が指定された制限内であることを確認します。定格電圧を印加して測定する前に、デバイスを DC 電源に接続します。
• サージテスト: ここでは、サージ保護デバイスにサージインパルスを適用して過渡サージをシミュレートします。その後、波形をテスト仕様と比較して調べます。

DC SPD に使用される規格

規格は、DC サージ保護デバイスの品質、信頼性、安全性を規定します。これらは規制機関によって提供され、次のものが含まれます。

• ANSI/IEEE45: DC システムにおけるサージ保護デバイスのサージ テスト性能の概要を示します。
• 国際電気通信61643-11: 低電圧システムに接続された DC SPD に固有のテスト方法と要件について説明します。
• 国際電気通信61643-21: 信号ネットワークおよび電気通信で使用される DC SPD に固有のテスト方法に関するガイドを提供します。
• 国際電気通信61643-22: 通信および伝送ネットワークで使用される DC SPD の選択と適用について説明します。
• アンダーライターズ・ラボラトリーズ（UL）1449： DC SPD の安全性とパフォーマンスの手順を概説します。

DC SPDの用途

電圧サージから機器を保護する DC SPD の役割は、次のようなさまざまなアプリケーションで例証されます。

i. データセンター: DC SPD は、ストレージ デバイス、ネットワーク機器、サーバーのデータ損失防止と機器損傷防止に不可欠です。

ii. 産業用制御システム: センサー、プログラマブル ロジック コントローラー (PLC)、モーター ドライブなどの DC 電源を利用する制御デバイスに使用されます。

iii. 再生可能エネルギー: 風力発電や太陽光発電設備では、インバーターなどの敏感な電子機器を保護するために DC SPD が使用されています。

iv. ストレージシステム: バッテリーエネルギーを利用するストレージシステムの DC SPD は、バッテリーバンク、監視システム、電力変換装置を保護します。

v. 電気通信: DC SPD は、データ伝送ラインや電源などの重要な機器を保護するために、通信施設やデータセンターに組み込まれます。

vi. 交通システム: 電気自動車、路面電車、電車、変電所では、充電ステーション、電子制御ユニット、配電システムに DC SPD が採用されています。

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