過電流保護（OCP）の設計｜シャント抵抗・CT・ホール素子の使い分け

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「過電流保護を入れたいけど、シャント抵抗？ CT？ホール素子？どれを選べばいいの？」

パワエレ設計で必ず必要になる過電流保護（OCP: Over Current Protection）。
でも電流検出の方式がいくつもあって、どれが自分の回路に合うのか悩みますよね。

選び方を間違えると、発熱で効率ダウンしたり、ノイズで誤動作したり、コストが跳ね上がったり…。
この記事では、3つの主要方式を「どんな回路に向いているか」で徹底比較します！

この記事で学べること

① 過電流保護（OCP）がなぜ必要なのか
② シャント抵抗・CT・ホール素子、それぞれの原理
③ 3方式の比較表と「選び方フローチャート」
④ 設計時の具体的な計算例と注意点

過電流保護（OCP）とは？ ─ 回路を守る「ブレーカー」

家庭のブレーカーを思い浮かべてください。電気を使いすぎると「バチン！」と落ちて、配線が焼けるのを防ぎますよね。

パワエレ回路の過電流保護（OCP）も同じ役割です。
MOSFETやIGBT、ダイオードに定格を超える電流が流れそうになったら、瞬時に検出して回路を停止させます。

過電流が起きる主な原因

・負荷短絡：モーターの端子がショートした
・負荷過大：想定以上の重いモノを持ち上げようとした
・制御異常：上下アームが同時ONして貫通電流が発生
・部品故障：ダイオードやMOSFETが壊れて短絡モードに

OCPがないと、過電流が流れた瞬間に素子が熱破壊したり、最悪の場合発火につながります。
だからパワエレ設計では「絶対に入れるべき保護機能」なのです。

OCP の基本構成 ─ 3ステップで保護する

OCPは大きく分けて3つのステップで動作します。
料理で例えると、「味見 → 判断 → 火を止める」の流れですね。

STEP 1

電流検出

電流を電圧信号に変換

→

STEP 2

比較・判定

閾値と比較して
過電流か判断

→

STEP 3

遮断・保護

ゲートOFFで
電流を止める

この記事では特に重要な「STEP 1：電流検出」にフォーカスします。
検出方式の選び方で、コスト・精度・発熱が大きく変わるからです。

3つの主要な電流検出方式

電流検出には様々な方式がありますが、パワエレで主に使われるのは以下の3つです。

① シャント抵抗

原理：オームの法則
イメージ：水道の流量計
特徴：安い・高精度・発熱あり

② CT（電流トランス）

原理：電磁誘導
イメージ：クランプメーター
特徴：絶縁あり・AC専用・DCは不可

③ ホール素子

原理：ホール効果
イメージ：磁石を感じるセンサー
特徴：絶縁あり・DC/AC両対応

次のセクションから、それぞれの方式を詳しく解説していきます。
まずは最もシンプルな「シャント抵抗」から見ていきましょう！

① シャント抵抗 ─ オームの法則で電流を測る王道

原理：V = I × R（中学校で習ったあの式！）

シャント抵抗の原理は超シンプル。
電流の経路に既知の抵抗値Rを挿入して、その両端電圧Vを測定するだけです。

シャント抵抗の基本式

V_sense = I × R_shunt

検出電圧 [V] ＝電流 [A] × シャント抵抗値 [Ω]

例えば、R = 10 mΩ のシャント抵抗に I = 10 A が流れると：

V_sense = 10 A × 0.01 Ω = 0.1 V（100 mV）

この100 mVをコンパレータで閾値と比較すれば、過電流を検出できます。

シャント抵抗値の決め方

シャント抵抗値は「検出したい電流」と「許容できる損失」のバランスで決めます。

ステップ	内容	例
1	OCP閾値電流 I_OCP を決める	定格10A → I_OCP = 15A（1.5倍）
2	検出電圧 V_sense を決める	コンパレータ閾値 = 0.1 V
3	R_shunt = V_sense / I_OCP	0.1 V / 15 A = 6.67 mΩ
4	損失を確認 P = I²R	(10A)² × 6.67mΩ = 0.67 W

設計の落とし穴：発熱と精度のトレードオフ

・Rを大きく → 検出電圧が大きくなり精度UP → でも発熱が増える
・Rを小さく → 発熱は減る → でも検出電圧が小さくノイズに弱い

一般的にはV_sense = 50〜200 mVで設計するのがバランス良いです。

メリット・× デメリット

○ メリット

・超低コスト（数円〜数十円）
・高精度（抵抗の誤差で決まる）
・応答速度が速い（ns オーダー）
・DC/AC 両方測定可能

× デメリット

・発熱がある（P = I²R）
・絶縁がない（電位差に注意）
・大電流では損失大
・ハイサイド検出は回路が複雑

向いている用途

・低〜中電流（〜50A程度）
・低コスト重視の民生機器
・GND基準のローサイド検出
・モータードライバ、DC-DCコンバータの電流制限

② CT（電流トランス） ─ 絶縁しながら電流を測る

原理：電磁誘導で電流を「縮小コピー」

CTの原理はトランスと同じ「電磁誘導」です。
電流が作る磁界を利用して、一次側の大電流を二次側の小電流に変換します。

イメージ：クランプメーターと同じ仕組み

電線をパチンと挟むだけで電流が測れるクランプメーター。
あれは電線を「一次巻線」、内蔵コイルを「二次巻線」としたCTです。

CTの基本式

I₂ = I₁ × (N₁ / N₂)

二次電流 = 一次電流 × (一次巻数 / 二次巻数)
例：一次1回巻き、二次100回巻き → 電流は1/100に縮小

一次側に100 Aが流れても、巻数比1:100のCTなら二次側は1 A。
この1 Aを小さなシャント抵抗で電圧変換すれば、安全に大電流を測定できます。

CT設計のポイント

パラメータ	説明	目安
巻数比 N₁:N₂	電流の縮小率を決定	1:50 〜 1:1000
負担抵抗 R_burden	二次電流を電圧に変換	1〜100 Ω
コア材質	周波数特性・飽和電流に影響	フェライト、アモルファス等
飽和電流	これを超えると出力が頭打ち	最大電流の1.5倍以上

重要：CTは「AC専用」です！

CTは電磁誘導を使うため、電流が変化しないと出力がゼロになります。
つまりDC（直流）は測定不可です。

DCを測りたい場合は、次に紹介するホール素子を使いましょう。

メリット・× デメリット

○ メリット

・絶縁あり（安全性が高い）
・損失がほぼゼロ
・大電流対応（数百A〜）
・コスト比較的安価

× デメリット

・DCは測定不可
・低周波で誤差増大
・コア飽和に注意
・サイズがやや大きい

向いている用途

・AC電源ラインの電流検出
・インバータ・コンバータの過電流保護
・高電圧系統での絶縁計測
・分電盤・スマートメーター

③ ホール素子 ─ 磁界を感じて DC も AC も測れる

原理：電流が作る磁界を「ホール効果」で検出

電流が流れると、その周りに磁界が発生します（右ねじの法則）。
ホール素子はこの磁界を検出して電圧に変換するセンサーです。

イメージ：方位磁針のハイテク版

方位磁針は地球の磁界で針が動きますよね。
ホール素子は電流が作る磁界を感じて「電圧」で教えてくれる電子版です。

ホール効果の基本式

V_H = K_H × I × B

ホール電圧 = ホール係数 × 制御電流 × 磁束密度
電流が作る磁界 B が大きいほど、出力電圧も大きくなる

ホール素子電流センサーの2タイプ

市販のホール素子電流センサーは、大きく分けて2つのタイプがあります。

項目	オープンループ型	クローズドループ型
動作原理	磁界を直接検出	帰還コイルで磁界をキャンセル
精度	±1〜3%	±0.1〜0.5%
応答速度	〜100 kHz	〜数 MHz
消費電力	小さい	やや大きい
コスト	安価（数百円〜）	高価（数千円〜）
主な用途	一般的なOCP、モニタ	高精度計測、サーボ制御

主要メーカーと代表品番

・LEM：LA / LTS シリーズ（産業用の定番）
・Allegro：ACS712 / ACS758（低コスト、1チップ）
・Melexis：MLX91208（車載向け高精度）
・TDK（旧 Micronas）：HAL / CUR シリーズ

メリット・× デメリット

○ メリット

・DC/AC両方測定可能
・絶縁あり（安全）
・非接触で損失ゼロ
・広い電流レンジ対応

× デメリット

・コストが高め
・温度ドリフトに注意
・外部磁界の影響を受ける
・電源が必要

向いている用途

・EV/HEVのバッテリー電流監視
・インバータのDCリンク電流検出
・太陽光パワコンの出力監視
・絶縁が必要な高電圧DC系

3方式完全比較表 ─ 一目で違いが分かる！

比較項目	シャント抵抗	CT	ホール素子
DC測定	◎ 可能	不可	◎ 可能
AC測定	◎ 可能	◎ 可能	◎ 可能
絶縁	なし	あり	あり
コスト	◎ 最安（数円〜）	○ 中程度	△ 高め（数百円〜）
精度	◎ 高（抵抗次第）	○ 中程度	○ 中〜高
発熱（損失）	あり（I²R）	ほぼなし	なし
応答速度	◎ 最速（ns級）	○ 中程度	○ 中程度
大電流対応	△ 発熱が課題	◎ 得意	◎ 得意
サイズ	◎ 小型	△ やや大きい	○ 中程度

選定フローチャート ─ 5つの質問で最適解が分かる

「結局どれを選べばいいの？」という方のために、5つの質問で最適な方式が分かるフローチャートを用意しました。

Q1: DC（直流）を測定しますか？

いいえ（ACのみ）

↓

CT が候補に入る

はい

↓

CT は使えない → Q2へ

Q2: 絶縁は必要ですか？

いいえ

↓

シャント抵抗が有力

はい

↓

ホール素子が有力

Q3: 電流は何A程度？

〜50A

↓

シャント抵抗 OK

50A〜数百A

↓

ホール素子 or CT

選定の結論

■ シャント抵抗：低コスト重視、〜50A、絶縁不要
■ CT：AC専用、大電流、絶縁必要
■ ホール素子：DC/AC、大電流、絶縁必要

【完全図解】パワエレに必要な周辺回路まとめ｜スナバ回路・ゲート駆動・保護回路

OCPだけでなく、OVP・UVP・OTP など他の保護回路との連携も解説しています。

設計チェックリスト ─ これだけは確認しよう

	チェック項目	確認ポイント
□	OCP閾値の設定	定格電流の1.2〜1.5倍が目安
□	応答時間	素子の短絡耐量時間（数μs〜10μs）以内に遮断
□	ノイズ耐性	スイッチングノイズで誤検出しないか
□	温度特性	シャント抵抗・ホール素子の温度係数を確認
□	配線インダクタンス	検出点とセンサーの距離を最短に
□	フィルタ回路	必要に応じてRCフィルタでノイズ除去

よくある質問（FAQ）

Q1: シャント抵抗の「ハイサイド検出」と「ローサイド検出」の違いは？

ローサイド検出はGND側にシャント抵抗を入れる方式で、検出回路がGND基準になるので設計が簡単です。ハイサイド検出は電源側に入れる方式で、負荷短絡時でも検出できますが、差動アンプが必要になり回路が複雑になります。OCP用途ならハイサイド検出の方が確実に短絡を検出できます。

Q2: CTで低周波が苦手なのはなぜ？

CTは電磁誘導で動作するため、電流の変化率（dI/dt）が出力に影響します。低周波では電流変化がゆっくりなので出力電圧が小さくなり、精度が落ちます。商用50/60Hz程度なら問題ありませんが、それ以下の超低周波やDCは測定できません。

Q3: ホール素子の温度ドリフト対策は？

ホール素子は温度によって出力が変動します（温度係数：数百ppm/℃）。対策としては、(1) 温度補償回路内蔵品を選ぶ、(2) クローズドループ型を使う、(3) マイコンで温度補正をかける、などがあります。高精度が必要な用途では定期的なキャリブレーションも検討しましょう。

Q4: OCPの応答時間はどのくらい必要？

MOSFETやIGBTの短絡耐量時間が目安です。一般的なパワーMOSFETは5〜10μs程度なので、それより速く遮断する必要があります。シャント抵抗＋コンパレータなら1μs以下の高速応答が可能です。ただし速すぎると突入電流で誤動作するので、ブランキング時間（1〜5μs）を入れることも多いです。

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