シャント抵抗と発熱

• シャント抵抗の測定原理と発熱のメカニズム
• シャント抵抗の発熱影響と放熱対策
• 低発熱な電流検出方法

モーターやインバーターなどの産業機器では、電流をモニタすることは安全面や性能面、そして効率面から必要不可欠です。そんな電流検出方法の一種に、シャント抵抗があります。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。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。

2-2．放熱部品による工夫

発熱部分の真下や基板上に、図 7 のようなヒートシンクと呼ばれる放熱部品を取り付けることで放熱性能を向上させることができます。熱伝導率が高い材質を用い、表面積を大きくすることで対流による放熱量を増加させています。この方法では、放熱のみのために新たな部品を取り付けるため、コストやサイズの課題があります。

このように放熱対策には様々な方法があります。コストやサイズの課題はありますが、システムの温度を下げることが可能です。

「どのような対策をすれば、どのくらい放熱ができるか」はシミュレーションすることができます。これを熱設計といい、故障などの問題が起きないように事前にシミュレーションすることで、設計の手戻りを減らすことができます。

シャント抵抗はどうしても発熱が大きいので、この熱設計が必要不可欠です。

前章の 1-3. でご紹介したシャント抵抗の種類と、2-1. でご紹介した強制空冷について、もう少し考えてみたいと思います。

近年工場などでは自動化が進んでおり、ロボットなどが使われる場面が増加してきました。例えば食品工場などで使用する場合は、衛生上、ロボットを洗浄する必要があり、ロボットを密閉して防水対応にしなければなりません( IP 規格対応)。しかし、密閉されていては外に熱を逃がすことはできません。筐体に密閉されている状態と大気中で自然空冷されている状況では温度上昇はどのくらい変化するでしょうか。
自然空冷の状態では通常のシャント抵抗よりも温度上昇量が抑えられていた高放熱タイプの抵抗で見てみましょう。

開放系と密閉系の結果を比較します。（図 8 参照）
開放系では温度上昇量が低く抑えられていても、密閉すると熱の逃げ場がなくなってしまうため、温度が大きく上昇してしまうことがわかります。この傾向は電流量が増加するほど顕著に表れます。放熱性能が向上しても、密閉化・集積化が進めば、放熱が思うようにできずに温度が上昇してしまうのです。
やはり発熱量自体を抑えることが安全面やコスト面のためにも重要になります。

電流検出方式の中にはホール素子を用いたコアレス電流センサー IC があります。ホール素子の出力を利用するため、抵抗値が S/N 比に直接関係なく、抵抗を小さくできます。AKM の ”Currentier” はコアレス電流センサー IC の中でも発熱が非常に小さいです。

図9はシャント抵抗( 2 章の通常タイプ)と Currentier に同一基板を用いて、電流 20A を 10 分間通電した後の発熱量を比較した熱画像です。シャント抵抗がΔT= 55 °Cまで発熱しているのに対して、Currentier はΔT= 3 °Cとほとんど発熱していないことがわかります。

次に、Currentierも密閉系と開放系での温度上昇量についても 10A , 14A , 20A で測定し、シャント抵抗( 5 章の高放熱タイプ)の結果と比較しました。図 10 に結果を示します。高放熱タイプのシャント抵抗は密閉すると温度上昇量が非常に大きくなりますが、Currentier は密閉しても温度が低く抑えられています。この理由は、Currentier の抵抗値は" 0.27mΩ "と非常に小さいためです。

今後密閉環境下で電流検出をする際には放熱性能よりも発熱の小ささが重要になってきます。