このブログ記事では、従来型のミニチュアサーキットブレーカー（MCB）とeFuse搭載の電子式サーキットプロテクタ（ECB）を比較し、ピーク電流を必要とせずに高速かつ信頼性の高いトリップを実現するECBの強みをご紹介します。
非安定化トランス電源の時代には、従来型のミニチュアサーキットブレーカー（MCB）が主要な保護モジュールとして確立されていました。しかし、1990年代に主にスイッチモード電源が登場すると、産業アプリケーションではトランス電源に代わって急速に普及しました。
この新技術により、業界の高まる需要に応えられる、より効率的でコンパクトな電源が実現しました。トランスの時代は終わりを告げましたが、MCBはスイッチモード電源と組み合わせて使用され続け、DC側でも採用されました。しかし現在では、電子式サーキットプロテクタのような、より優れ、特に信頼性の高い保護メカニズムがあります。
MCB対eFuse
最大の課題は、ミニチュアサーキットブレーカー（MCB）がもともとアプリケーションのAC側向けに設計されており、トリップするために公称電流の何倍もの電流を数ミリ秒間必要とすることです。多くのスイッチモード電源は、自身および接続された負荷を保護するために、高電流パルス中にDC側でシャットダウンするため、この要件を満たすことができません。
従来のミニチュアサーキットブレーカー（MCB）に代わるものとして、電子式サーキットプロテクタ（ECB）があります。当社のPISAモデルなど、これらのモジュールはDC負荷の配電と保護用に最適化されており、信頼性が高く迅速なトリップのためにピーク電流を必要としません。わずかな過負荷時でも、反応時間は1ミリ秒以内です。
この記事ではMCBとECBの違いについて詳しく説明するため、適切なソリューションを選択する際に役立ちます。
「適切なMCBを選択するには、アプリケーションの正しい理解と慎重なシステム計画が必要です。ECBを使用すれば、この労力を大幅に削減できます。」
DC側でMCBを使用する際に準拠が求められる規格IEC 60947-2
ほとんどのサーキットブレーカーは、AC回路の保護を目的に開発されました。同じ技術をDC回路の保護にも適用できると考えるのは誤りです。
主な理由は、ACシステムとDCシステムの放電特性と消弧特性が異なるためです。ACサーキットブレーカーは、DC回路では高い信頼性でトリップしない可能性があります。そのため、産業用低電圧システムでDC側にMCBを使用する場合は、IEC 60947-2規格に準拠する必要があります。この規格は、定格電圧がAC 1,000V以下またはDC 1,500V以下の低電圧範囲の回路に接続される主接点を有するMCBに適用されます。
トリップ特性：B、C、またはZ？
サーキットブレーカーを選択する際は、トリップ特性を確認することが重要です。各種の産業アプリケーションに適したさまざまなトリップ特性があります。しかし、DC回路を高い信頼性で保護するためには、Zトリップ特性を備えたMCBを使用することが推奨されます。
このトリップ特性を有するサーキットブレーカーは高価なため、トリップ特性BまたはCを備えたMCBが主に使用されています。グラフに示すように、特性Zのサーキットブレーカーは公称電流の2～3倍でトリップし、特性BのMCB（公称電流の3～5倍でトリップ）や特性C（5～10倍が必要）よりも大幅に速く動作します。
電子式サーキットプロテクタでは、トリップ特性の選択がはるかに柔軟になります。当社では、PISA-Mシリーズの一部として、トリップ電流とトリップ特性を柔軟に調整できる「調整可能」バージョンを提供しています。これにより、トリップ速度を高速（最大2ミリ秒）と低速（最大10ミリ秒）から選択することができます。
電流値は、合計電流が20Aを超えない限り、4つのチャンネルに対して個別に設定できます。ECBを使用することで、ユーザーはさまざまな負荷やシステムの拡張に対してより柔軟に対応することができます。
トリップ機構：熱式と磁気式、または電子式？
サーキットブレーカーには、熱式および磁気式のトリップ機構という2種類のトリップ機構が組み込まれています。
温度ヒューズは、過負荷が発生した場合にサーキットブレーカーをトリップさせる役割を果たします。電流レベルに応じて、トリップ時間は数秒間から1～2時間まで変動します。熱トリップは、サーキットブレーカー内のバイメタルが引き起こします。サーキットブレーカー内の電流が公称値を超えると、バイメタルが加熱されて変形し、シャットダウン機構を起動させます。電流はDC側とAC側の両方に同じ熱効果を与えるため、一定の環境条件下では、DCとACの両方で熱トリップが同様に機能します。
磁気ヒューズは、サーキットブレーカーの短絡トリップを引き起こします。サーキットブレーカーは、特定のトリップ範囲内で数ミリ秒以内にトリップするように設計されています（各トリップ特性には独自の範囲があります）。このトリップは、サーキットブレーカー内のコイルが引き起こします。非常に大きな電流が流れると強力な磁場が形成され、スイッチをトリップさせます。
交流電流のピーク値によって磁場の大きさが決まるため、DC回路でサーキットブレーカーを使用する場合は、磁気トリップの補正係数を考慮する必要があります。この補正係数は√2、つまり1.41です。異なるトリップ特性を持つサーキットブレーカーの即時トリップ範囲は以下で説明します。
一方、電子式サーキットプロテクタは、チャンネルのトリップをよりシンプルかつ正確に行うことができます。ECBは電流を継続的に測定し、内蔵のeFuseが定義された電流値で確実かつ迅速にトリップします。このプロセスは、周囲温度などの外的要因の影響を受けないため、MCBに比べて大きな利点となります。ECBはシステム可用性の向上に直接貢献するのです。
温度依存性と「定格不等率」
温度ヒューズで説明したように、トリップを引き起こすバイメタルには温度依存性があります。つまり、周囲温度が高いほどバイメタルが加熱され、トリップが早くなります。周囲温度が高い場合は、サーキットブレーカーに流れる最大公称電流を減らし、不要なトリップを防止する必要があります。逆に、低温の場合は、バイメタルを十分に加熱してサーキットブレーカーをトリップさせるために、より大きな電流を流す必要があります。
制御キャビネット内の設置状況も温度ヒューズに影響を与える可能性があります。複数のサーキットブレーカーを間隔を空けずに並べて動作させると、相互の熱影響が発生します。サーキットブレーカー同士が互いに加熱するため、サーキットブレーカーの最大公称電流を再び減少させる必要があります。このような場合、MCBの温度上昇によって電流をどれだけ減少させる必要があるかは製造者によって規定されており、これを定格不等率（RDF）と呼びます。
一方、電子式サーキットプロテクタは温度に依存しません。PISA-Mの使用温度は、フル出力（ディレーティングなし）時に-25 °Cから+70 °Cの範囲です。定格不等率は必要ありません。
モジュールは、他のPISA-Mユニットとの最小間隔を設けずに制御キャビネットに設置できます。ただし、電源などの熱源からは15 mm以上の距離を保つ必要があります。
適切な電源ユニットの選択
適切なサーキットブレーカーの選択と同様に重要なのが、適切な電源ユニットの選定です。この点はよく見落とされがちです。
実際に、7Aの総負荷に対して10A電源を使用する場合、短絡電流がMCBをトリップさせて障害のある負荷を遮断するのに十分でない可能性があります。なぜなら、7Aの負荷の場合、通常は10AのMCBが使用されるからです。つまり、特性Bを有するMCBを使用する場合、10A電源はMCBをトリップさせるために30Aから50Aの短絡電流を供給する必要があるということです。ほとんどの10A電源は、自己保護のため事前にシャットダウンするので、これほどの電流を供給できません。その結果、障害がない場合でも、電源に接続されたすべての負荷に電流が供給されなくなります。
この問題を回避するために、ヒューズ溶断機能を備えた電源を使用することができます。この機能により、公称電流の5～6倍の電流が数ミリ秒間供給されます。または、電源を大容量化する必要があります。つまり、より高い電力クラスを使用するということです。どちらの解決策にも欠点があります。ユーザーは不要な機能に対して料金を支払わなければならない可能性があり、大きな電源はシステム内に大きなスペースを必要とします。MCBに完全に適合した電源を使用しても、短絡経路の総抵抗が大きすぎる場合など、短絡電流がサーキットブレーカーをトリップさせるのに十分でない場合があります。
電源と電子式サーキットプロテクタを組み合わせる場合、選定において重要となるのは、電源が供給可能な最大出力電流のみです。PISA-MタイプのECBの場合、出力電力90W以上の電源が推奨されます。これにより、選択の柔軟性が大幅に向上します。
まとめ：
適切なサーキットブレーカーを選択するには、アプリケーションの正しい理解と慎重なシステム計画が必要です。これには時間、エンジニアリングリソース、そして最終的にコストがかかります。
アプリケーションを少し変更するごとに、サーキットブレーカーが既存の負荷に対して十分な保護を提供しているかどうかを再確認する必要がありますが、電子式サーキットプロテクタを使用すれば、この労力を大幅に削減できます。配線の他に必要なのは、出力電流を設定することだけです。
eFuseを搭載した当社のPISAモジュールは、負荷、温度、電源、または短絡経路の総抵抗に関係なく、影響を受けたチャンネルを高い信頼性でトリップさせて負荷を保護します。
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