RCスナバ回路(誘導性負荷)の設計手順

概要

RCスナバ回路は、主にスイッチング回路や電力回路で発生する過渡現象（サージやスパイク電圧、振動）を抑制するための保護回路です。基本は抵抗とコンデンサの直列回路で、
これを負荷・スイッチ素子の両端や巻線部の両端などに並列に接続します。

下記に設計目的・回路特性に応じたスナバ回路の設計手順グループを一覧表で示します。

グループ名	対象回路例	特徴・動作	代表スナバ方式	計算の特徴
A. スイッチング素子保護型	MOSFET, IGBT, バック/フライバック一次側	高dv/dt、漏れLによるサージ	RC, RCD, クランプ回路	寄生インダクタンスとピーク電圧から定数設計
B. 誘導性負荷吸収型	リレー, ソレノイド, モータ	接点開放や電流遮断時の逆起電力	ダイオード, RC, TVS	負荷インダクタンスと電流に基づいて吸収エネルギー計算
C. リンギング抑制型	バック二次側, ダイオード, LLC共振点	高速整流後にLCでリンギング発生	RC	寄生LCによる共振周波数からダンピング比を決定
D. トライアック誤動作防止型	トライアック制御（照明・AC機器）	dv/dt誤動作のリスクあり	RC（スナバ）	負荷のdv/dtに対して閾値を下回るよう設計
E. EMI対策型	全般（ACライン, DCDC）	急峻な電圧変化・ノイズ放出	RC, フェライトビーズ併用	EMI伝導スペクトルの減衰を狙うため、経験則＋測定前提

グループAとCは似ていて、「寄生LC」や「dv/dt抑制」を共通要素とします。
グループBは明確に異なり、「負荷側インダクタンスのエネルギー吸収」が設計基準です。
グループDはAC負荷や誘導負荷のトリガ保護がメインで、他グループと独立しています。
グループEは目的がノイズ規格対策（EMC準拠）のため、経験則や測定が重視されます。

今回の記事では上記用途のうちACファンモータの『B.誘導性負荷吸収用途』での設計手順を記載します。
目的としては以下になります。

AC系負荷におけるRCスナバの仕組み

設計手順1. 回路のパラメータ確認

パラメータ	値
AC電圧：Vac	100V
許容サージ電圧：Vmax	200V
消費電流：Iout	0.5A
周波数：fsurge	3MHz
ファンモータのコイルの漏れインダクタンス：Lleak	5～50μH

①AC電圧の確認

AC電圧に関しては電源の仕様を確認しましょう。今回はAC100Vの電圧を使用してるファンモータを想定します。

②許容サージ電圧の確認

オシロスコープにてサージ電圧を確認し、許容サージ電圧は周辺部品に印加される最大の許容値を決定しましょう。今回は200Vとします。

③消費電流の確認

消費電流に関しては最大運転時の電流を測定もしくはモータ定格電流を想定します。今回はファンモータの定格電流である0.5Aを想定します。

④リンギング周波数の確認

サージのリンギング周波数をオシロスコープにて測定する。今回は3MHzとなる。

⑤ファンモータのコイルの漏れインダクタンスの確認

ファンモータのコイルインダクタンスを確認します。数百ns～数μsの高周波のサージではコイル全体に磁束が十分に回らないため、実際にサージに効くのは漏れインダクタンスのみになります。漏れインダクタンスは5μH～50μHの間で計算してみるといいでしょう。

設計手順2. コンデンサの必要容量計算

まず、インダクタンスに蓄えられるエネルギーは下記式で表せられます。

次にコンデンサにこのエネルギーが移動した際に蓄えられるエネルギーを電圧上昇ΔVとして

エネルギー保存則より、EL＝ECのため、必要なコンデンサ容量は以下となる。ΔV＝Vmax-Vacである

今回の場合だと以下になる。E系列に存在するコンデンサを選定すると1.5nFとする。

設計手順3. スナバ抵抗値の計算

スナバ抵抗はファンモータのコイルの漏れインダクタンスとスナバコンデンサによるLC共振の振動を減衰させることが目的となります。減衰させる力は減衰係数ζで表され以下のようにζ＝１になるように設計します。

減衰係数 (ζ)	状態	特徴
0	無減衰	リンギングが継続
0～1	不足減衰	リンギングあり
1	臨界減衰	振動せず最速で収束
>1	過減衰	振動しないが応答が遅い

RLCの値と減衰係数の関係式は以下のようになっており、

これをζ=1の場合になるときのスナバ抵抗値Rを計算するため、

今回の場合だと以下になる。E系列に存在する抵抗を選定すると12kΩとなる。

設計手順4. 部品の選定

コンデンサの選定

項目	確認内容
安全規格	L-N間ならXクラスを検討
定格電圧	AC定格電圧が実使用条件を満たすか
サージ耐量	実際の電源サージ・スイッチングサージに耐えられるか
静電容量	設計値±公差・経年変化を考慮
温度定格	周囲温度＋自己発熱が上限以下か
高周波特性	ESR・ESL・自己共振周波数を確認
パルス耐量	リレー開閉による過渡電流に耐えられるか
認証	IEC 60384-14等、必要な安全認証を確認
寿命・環境	高温・高湿度など使用環境を考慮

抵抗の選定

チェック項目	確認内容	設計上のポイント
抵抗値	計算値を満たすか	公差を含めて確認
定格電力	定常損失に耐えられるか	温度ディレーティングを考慮
パルス耐量	リレー開閉時の過渡エネルギーに耐えられるか	非常に重要
最大使用電圧	抵抗両端の電圧に耐えられるか	電力定格とは別に確認
抵抗公差	Rのばらつきが許容範囲か	±1%、±5%など
温度係数（TCR）	温度による抵抗値変化	高温時のR変化を確認
使用温度	周囲温度＋自己発熱	ディレーティングを確認
抵抗構造	高周波・パルスに適しているか	無誘導性も確認
難燃性・安全性	異常時の安全性	必要な安全規格・部品仕様を確認

設計手順5. 実機確認

スナバコンデンサ静電容量の調整

最初に計算したCを基準に10nF→22nF→47nFのように容量を変えて評価します。一般的には静電容量Cが大きくなると高周波時のインピーダンスZc=$\frac{1}{2πfC}$が低下し、サージ電圧・リンギングを抑えやすくなります。
ただし、静電容量を大きくすると以下の部分に影響を及ぼすため、必要以上にCを大きくしないことが重要です。

スナバ抵抗値の調整

コンデンサの静電容量をある程度決めることが出来たらコンデンサ同様に33Ω→47Ω→68Ωのように抵抗値を変えて評価します。

抵抗値を大きくしすぎたり、小さくしすぎたりすると以下の問題があるため、サージを十分抑制しながら、Rを必要以上に小さくしない値を探します。

評価項目

実機評価をする際は下記の項目に着目して確認してみてください。

評価項目	確認内容
最大サージ電圧	設計上の許容値以下か
リンギング振幅	十分に減衰しているか
リンギング時間	長時間振動していないか
リレー接点電圧	接点定格を超えていないか
リレー接点電流	開閉時の過渡電流が過大でないか
抵抗温度	異常発熱がないか
コンデンサ温度	定格温度以下か
漏れ電流	ACラインへの影響が許容範囲か
EMI	ノイズ試験結果が改善しているか
ファン動作	風量・回転・異音に問題がないか

最終的な決定方法は以下のように表にするとわかりやすくなるでしょう。

C	R	最大サージ	リンギング	R温度	EMI	判定
10 nF	47 Ω	○○ V	大	○	△	×
22 nF	47 Ω	○○ V	小	○	○	○
22 nF	68 Ω	○○ V	小	○	○	○
22 nF	100 Ω	○○ V	やや大	○	△	×
47 nF	100 Ω	○○ V	小	△	○	×

まとめ