MOV バリスタの基礎: 全面的なガイド

‌ MOV（メタルオキサイドバリスタ）は、最も広く使用されている過電圧保護デバイスの一つです。その主要材料は、酸化ジンク（ZnO）と添加剤で焼結された多結晶半導体です。以下は、原理、パラメータ、選択から応用までの一連の分析です：

1. MOVの主な特性

1.1 非線形ボルトアンペア特性

● 低電圧領域: 電圧がしきい値以下のとき、MOVは高抵抗状態にあり（リーク電流はマイクロアンペア範囲）。

● ブレークダウン領域: 電圧がしきい値（定格電圧Vn）を超えると、抵抗が急激に低下し、大電流が放電され、電圧制限が達成される。

● クランプ電圧 (Vc): 通常、定格電圧の1.5倍から2倍で、保護対象の部品の耐電圧以下に抑える。

1.2 材料と構造

● ジンク酸化物基板: ZnO結晶粒および粒界が「PN接合のような」障壁を形成し、高速応答（ナノ秒レベル）を提供します。

● 多層構造: 焼結によって形成された緻密なセラミック本体は、体積に対して電流容量が相関しています。例えば、直径14mmの14Dシリーズは、最大10kAのサージ電流に耐えることができます。

2. MOVの主要パラメータと選定

2.1 名義電圧 (Vn)

定義: 1mAの直流電流における電圧（例：470V）。

2.2 選択式：

● ACシステム: Vn ≥ 1.2～1.5 × 入力電圧のRMS値（例：220V ACでは470Vを選択）。

● DCシステム: Vn ≥ 1.5 × 最大連続動作電圧。

● 誤解: 定格電圧は「トリガー電圧」ではありません。実際の点火電圧はそれよりも高い場合があります（V-I曲線を参照）。

2.3 ピーク電流 (IP)

定義: 8/20μs標準サージ波形のピーク電流（例：10kA）。

適用レベル:

2.4 エネルギー処理能力 (ジュール)

● 式: E = Vc × IP × t （ただしtはパルス幅で、8/20μsの場合通常20μs）。

● 例: Vc = 800V、IP = 10kAの場合、エネルギーは160Jです。MOVの定格エネルギーが実際のサージエネルギーを超えるようにしてください。

2.5 故障モードと寿命

● 老化による故障: 複数のサージ後、リーク電流が増加し、最終的にMOVがショートする可能性があります。

● 安全設計: 温度フューズ（TF）やサーマルトリップ機構付きのMOV（例: TNRシリーズ）を使用して、ショートによる火災を防止します。

3. MOV応用設計上の考慮事項

3.1 回路配置

● 近接設置: MOVを保護対象に近い場所（例: 電源入力端子）に設置してサージ経路を短縮します。

● 低インダクタンス配線: 寄生インダクタンスを増やし残存電圧を引き上げる長いトレースを避けてください。

● 並列デカップリング: ガス放電管（GDT）と併用する場合、GDTが継続して電流を流し、MOVが焼損することを防ぐために直列抵抗またはインダクタが必要です。

3.2 マルチレベル保護設計

● 第1レベル保護（リーク）: ガス放電管（GDT）またはスパークギャップを使用して、雷電流を放出します。

● 第2レベル保護（クランプ）: MOVが残存電圧を1kV未満に低下させます。

● レベル3保護（精密保護）：TVSダイオードがさらに電圧を敏感なチップにとって安全なレベルに制限します（例：24V）。

● 典型的な設計：GDT（レベル1）→ MOV（レベル2）→ TVS（レベル3）。

3.3 熱管理と降格処理

● 高温時の降格処理：MOVの電流容量は、周囲温度が25°C増加するごとに約20%減少します。

● 並列接続されたMOV：高エネルギー用途では、パラメータが一致する複数のMOVを並列に接続します（例：Vnの偏差 ≤5%）。

4. 典型的な適用シナリオとモデルの推奨

4.1 家電製品 (220V AC)

● 要件: 電力網サージ（例：エアコンの起動／停止）に対するサージ抑圧。

● 選択: 14D471K (Vn = 470V, IP = 6.5kA), SMD オプション: S14K275。

4.2 太陽光発電インバータ (DC 1000V)

● 要件: フォトボルトパネル側の雷保護、高電圧に耐えます。

● 選択: 34D102K (Vn = 1000V, IP = 40kA)。

4.3 自動車電子機器 (12V／24V システム)

● 要件: ロードダンプに対するサージ抑止（60Vまで）。

● 選択: SMDタイプ V14H360 (Vn = 36V, IP = 200A)。

5. 一般的な問題と解決策

5.1 MOVでの過剰リーク電流

● 原因: 経年劣化または持続的な過電圧により粒界が劣化する。

● 解決策: 定期的にMOVsを交換するか、TVSダイオードを使用して電圧ストレスを分散させる。

5.2 後段回路を損傷させる高い残留電圧

● 原因: 不適切なMOV選択（例: 過度に高いVn）または不適切なレイアウト。

● 解決策: Vnを下げたり、二次クランプ用にTVSを追加する。

5.3 MOVの頻繁な故障

● 原因: 十分でないピーク電流処理能力またはサージ周波数の超過。

● 解決策: IPレーティングを向上させたり、エネルギーを分散するために多段保護を実装する。

6. 業界標準と認証

● セーフティ認証: UL1449 (サージ保護装置), IEC 61000-4-5 (サージ耐性試験)。

● 自動車電子部品: AEC-Q200 (信頼性認証), -40°Cから150°Cの温度範囲での性能。

● 通信機器: GR-1089-CORE (雷および静電気放電保護要件)。

● まとめ: MOVはその高いコストパフォーマンスと大電流容量により過電圧保護のコアデバイスとなっていますが、用途に応じて正確に選定し、複数レベルの保護や熱設計と組み合わせることで信頼性のある保護を実現する必要があります。実際の設計では、サージ試験（例：8/20μs, 10/700μs）を通じてソリューションの有効性を確認することをお勧めします。