シャント抵抗の使い方と電流検出における熱マネジメント

シャント抵抗とは、通常の抵抗と原理は同じですが、電流測定用に特化したものです。図 1 のように、抵抗値既知のシャント抵抗に測定したい電流を流して、シャント抵抗の両端の電圧降下を測定することにより、オームの法則 V = IR を利用して、流れた電流値を計算することができます。シャント抵抗のつなぎ方は、電流測定したい部分に直列につなぎます。原理が簡単で使いやすいため、最もメジャーな電流検出方式です。

シャント抵抗も通常の抵抗器と同様、電流を流せば発熱します。発熱量はジュールの法則 P = I²R に従って、電流量の 2 乗と抵抗値に比例します。

シャント抵抗の仕組みからシャント抵抗が発熱してしまうことがわかりました。では、シャント抵抗は実際どのくらい発熱するのでしょうか。
図2をご覧ください。右の条件で、シャント抵抗の表面温度を測定しました。すると最も温度が高い部分では約 80 °Cまで上昇していることがわかりました。温度上昇量は 55 °Cです。

温度上昇量は発熱量に比例するため、抵抗値が 2 倍になれば温度上昇量も 2 倍、電流値が 2 倍になれば温度上昇量は 4 倍になります。そのためシャント抵抗は大電流の測定には不向きです。一般的に発熱を気にせず使用できる電流の大きさは 10Arms 前後と言われています。

反対に温度上昇を抑えるためには、流れる電流量が同じであればシャント抵抗の抵抗値を小さくすればいいことがわかります。しかし、抵抗値が小さくなると、シャント抵抗の両端の検出電圧( V = IR )も小さくなってしまいます。シャント抵抗の検出電圧は、後段の信号処理で十分な S/N 比となるよう、ある程度大きくする必要があります。したがって発熱低減のためだけに抵抗値を小さくすることは望ましくありません。

1．コスト増加、部品サイズ増加

シャント抵抗などの電子部品は、過度な発熱により、損傷してしまう恐れがあります。そのため電子部品には定格が定められており、マージンを持たせて安全に使用することが求められています。一般に定格が大きいものほどコストが高く、サイズが大きい傾向があります。

モーターやインバーターなどの産業機器の基板には様々な部品が載っています。近年、工場の集積化などにより、それらの基板は小型化しています。つまり、小さな基板にたくさんの部品が所狭しと実装されています。そのため、シャント抵抗の発熱によって他の電子部品の周囲温度が上昇してしまいます。その結果他の部品も動作環境温度などの定格が大きいものを選ばなければならず、システム全体のコスト増加や集積化/小型化の妨げになってしまうのです。

2．回路の複雑化、部品点数の増加

シャント抵抗も通常の抵抗と同様、温度によって抵抗値が変動します。検出電圧はシャント抵抗の抵抗値に比例するため、発熱による温度上昇によって抵抗値が変化すると、算出される電流の値にずれが生じます。したがってシャント抵抗で精度よく電流検出するためには、シャント抵抗の温度変化分を補正する温度補正回路が必要となります。これにより回路が複雑化し、部品点数が増加して小型化の妨げになってしまいます。

このようにシャント抵抗の発熱はシステム全体に多大な影響を及ぼすことがわかります。