パルス回路の発熱について

質問

大学の研究でPFNのコンデンサーバンクを製作しています．

仕様は
最大印加電圧 5 kV，最大ピーク電流 10 kA，最大パルス電流幅 20 usなのですが，
PFNの整合抵抗 250 mΩの選定で迷っています．

参考にしている論文では，最大印加電圧 1.5 kV，最大ピーク電流 3.3 kA，最大パルス電流幅 1 msなので，
200 mΩの場合，消費電力は200 mΩ x 3.3 kA^2 x 1 ms=2178 W　となるはずですが，
整合抵抗は200 mΩの500 Wを使用されています．

パルス回路の場合，消費電力はそんなに気にしなくていいのでしょうか？
また，PFNの整合抵抗 250 mΩの消費電力はどれくらいのものにすればいいのでしょうか？

よろしくお願いいたします．

回答No.3

KEN_2 · ベストアンサー

ANo.2 です。
少し誤解を与えたようですね。

>充電放電時間は2分程度を考えておりますので，60倍の消費電力のものを使用することも可能ということでしょうか？
周期１分以上は1分で絶縁耐圧との関係からマンガニン鋼を使った場合30倍以内が無難です。
抵抗器タイプは放熱・絶縁耐力から10倍から15倍以内を経験的に選択しています。

参考サイトを貼ります。
マンガニン鋼を使ったシャント抵抗が安定しています。
シャント抵抗仕様　右の写真の部品です。
http://www.mmjp.or.jp/south/0603.html
大電流の計測にシャント抵抗器
http://store.shopping.yahoo.co.jp/delsol/mkb500-50.html
日本抵抗器製作所:
http://www.jrm.co.jp/japanese/products/resistors_fixed/index.html
以下参考
短時間過負荷（パルス）使用での電力算出方法について
http://www.pcn.co.jp/Images/qa.html#qa01

お礼

回答ありがとうございます．

マンガニンなら30倍，それ以外なら15倍のものを使えばいいということですね．わかりました．

電流測定はシャント抵抗で，耐電圧等に注意して行いたいと思います．
ちなみに，電圧測定は，分圧で100MΩくらいの抵抗で行いたいと思います．

回答No.4

foobar

＃１です。
抵抗線や抵抗板としてはマンガニン（銅合金の一種）が使われることが多いようです。マンガニン線は金属材料を扱っている店から購入可能だったように思います。所定の抵抗値、熱容量から断面積と長さを計算してみて、適当な線があればそれを購入するのも手かもしれません。（ただし、インダクタンスが小さくかつ所定の耐電圧を確保できるように支持する必要がありますが。）
また、場合によってはステンレス板（や線）を加工して使う場合もあるようです。（ただ、半田付けが難しいので、両端の接続方法を工夫する必要があります。）

お礼

回答ありがとうございました．

マンガニンですね．早速業者に問い合わせてみたいと思います．

回答No.2

KEN_2

電子機器の電源や高発熱部品のディレーテングの定石では、定格電力100Wクラスのシャント抵抗の場合間欠動作で２倍、連続動作で４倍のレーテングを使っています。
温度上昇と放熱の時間関係で、理論と良く一致するのを経験しております。

逆にパルス電流の場合、通常の発熱体の定格電力は１分定格での温度上昇で基本設計していますので、休止時間とのデューテイ比で消費電力の低減率が決定して、繰り返し時間の最小値を規定して、１０秒の繰り返しサイクルなら１０倍の低減率を使用しています。
１分以上の繰り返しサイクルなら１分の６０倍÷２倍のディレーテングで３０倍としています。

参考にされている論文での消費電力=2178 W/S　に対しての500 Wを使用されているのは、繰り返しサイクルが５秒以上の条件で使っておられるのではと推定します。

当方100A程度のパルス電流の実験しかした事が無いのと、質問者様の『PFNのコンデンサーバンク』を想像でしか理解しようが無いですが、充・放電には数十秒を要すると予想されますので、繰り返しサイクルの時間で定格電力の１０倍の低減率を使用しても宜しいのでは・・・・

ご参考になれば・・・

お礼

回答ありがとうございます．

充電放電時間は2分程度を考えておりますので，60倍の消費電力のものを使用することも可能ということでしょうか？

もし，100Aのパルスにて実験されたとのことですが，高電力抵抗のメーカーで良い（価格が安い）ところをご存知でしたら，お教え願えないでしょうか？

回答No.1

foobar

単発の短パルスだと消費電力よりも消費エネルギー（とそれによる温度上昇）で考える必要が出てきます。
パルスの時間が短い場合には電力は大きくても全体のエネルギーがそれほど大きくなく熱容量だけで温度上昇が抑えられるような状況になることもあり、その場合には、連続定格の消費電力よりも大きな電力を加えることも可能です。（ただし、温度が急変するので、そちらも考慮する必要もあります。）

実際、どれくらいの熱容量があるか、どれくらいの温度急変に耐えれるかは、材質や構造でも異なるでしょうから、一概にはいえないでしょうが、
抵抗板を加工し、そのまま使っているような抵抗体なら、重さと比熱、許容温度上昇から概算可能かと思います。（連続定格の電力からよりも、こちらの熱容量で計算する方が良いかもしれません。）

もう一点、パルスの大電流を流す場合には電磁力に耐えるか、というのもチェックする必要出てくることもあります。
（これも、極短パルスなら力積（力＊時間）で検討することになるかと思います。）

お礼

回答ありがとうございます．

消費電力ではなく，抵抗の熱容量で考える方法が有るんですね．
これは知りませんでした．

抵抗板とは普通の銅などの平板のことでしょうか？
それとも，抵抗板として販売されているものなのでしょうか？
当方，高電力用の抵抗を購入しようと考えておりましたが，
もし抵抗板のほうが安いならば検討してみたいと思います．

電磁力はフープ力のことでしょうか？
これなら，概算して大丈夫という結果を得ました．
実際，どうなるかはわかりませんが．