サージ保護デバイス（SPD）の原理：MOV・GDT・TVS

サージとは何か ── ナノ秒〜マイクロ秒の過電圧エネルギー

サージ（過渡過電圧）は、定常の電源電圧に重畳して現れる短時間・高電圧のパルスです。発生源は大きく二つで、雷サージ（直撃・誘導雷）はマイクロ秒オーダーで数kV〜数十kV・数kA〜数十kAに達し、開閉サージ（誘導性負荷の遮断、モーター起動、力率改善コンデンサの投入）はそれより小さいものの頻度が高く、機器を徐々に痛めます。これらは /power/power-quality-disturbances/ で分類した擾乱のうち「過渡」軸にあたります。

サージの厄介さは、エネルギーが短時間に集中する点にあります。試験で使う標準波形 8/20μs（電流波形、立ち上がり 8μs・半値幅 20μs）や 1.2/50μs（電圧波形）はその典型で、ピークは大きくても全継続は数十μsです。SPD（Surge Protective Device）の役割は、この一瞬のエネルギーを保護対象の機器ではなく自身に引き込み、機器が見る電圧を安全な値に制限することです。

SPDの基本動作（並列接続が原則）:

  電源 ──┬────────── 保護したい機器
         │
       [SPD]   ← 平常時:高抵抗（ほぼ開放、漏れ電流のみ）
         │       サージ時:低抵抗に急変し電流を分流
        GND

  ねらい: 機器にかかる電圧 ≒ SPDの「制限電圧」に抑える

SPDは負荷と並列に入れるのが基本です。平常時はほぼ開放（高インピーダンス）で電流を流さず、過電圧が来た瞬間だけ低インピーダンスに転じてサージ電流をグラウンドへ分流させます。この「電圧で抵抗が急変する非線形素子」をどう実現するかで、MOV・GDT・TVSの三系統に分かれます。

クランプ型とクローバ型 ── 動作機構の二分法

非線形保護素子は、過電圧時に電圧をどう処理するかで二つに大別できます。この区別が三素子の性格をすべて説明します。

クランプ型（電圧制限型: MOV, TVS）:
  電圧が閾値を超えると素子の抵抗が下がり、
  両端電圧をほぼ一定（クランプ電圧）に「頭打ち」する。
  → 動作中も電源電圧はクランプ電圧で維持され、続流は起きにくい。

クローバ型（電圧折返し型: GDT, サイリスタ系SPD）:
  閾値を超えると放電してほぼ短絡状態に「折り返す」。
  両端電圧が放電開始電圧から数十Vのアーク電圧まで急落する。
  → 大電流を流せるが、サージ後も電源電圧で放電が続く「続流」が問題。

クランプ型は両端電圧を一定値に抑え込むため、サージが過ぎれば自然に高抵抗へ戻り、商用電源が残っていても電流は止まります。一方クローバ型はほぼ短絡へ折り返すため大電流に耐えますが、サージが去った後も電源電圧で放電が維持され続ける「続流（フォローカレント）」が起きると、素子が焼損したり過電流遮断器が動作したりします。GDT単体を交流電源ラインに直結できない最大の理由がこれです。

MOV（バリスタ） ── 主力のクランプ素子

MOV（Metal Oxide Varistor、金属酸化物バリスタ）は酸化亜鉛（ZnO）の粒界に形成される無数の微小ダイオード様接合の集合体で、双方向の非線形抵抗として働きます。電圧–電流関係は近似的に I = k·V^α（α は非線形指数、概ね 25〜50）で表され、α が大きいほど閾値（バリスタ電圧 V_1mA）を境に抵抗が急峻に低下します。

MOVの V-I 特性（対数軸でほぼ折れ線）:

  V                    平常領域      導通領域
  │                  （高抵抗）    （クランプ）
  Vc ┤- - - - - - - - - - - - - ____────  ← クランプ電圧
     │                    ____／
  Vn ┤________________／    平常運転電圧 Vn は
     │   漏れ電流のみ        バリスタ電圧の下に取る
     └────────────────────────────── I（対数）

MOVの長所は、双方向でそのまま交流に使え、エネルギー耐量が大きく（断面積に比例、大型品はkA級）、コストが低い点です。短所は二つあります。第一に経年劣化で、サージを吸収するたびに ZnO 粒界が徐々に破壊され、漏れ電流の増加とバリスタ電圧の低下が進み、最終的に短絡故障（発熱・発火）に至ります。第二にクランプ電圧が高めで、応答も数十ns程度とTVSには劣ります。

GDT（ガス放電管） ── 大電流に強いクローバ素子

GDT（Gas Discharge Tube、ガス放電管）は不活性ガスを封入した電極間ギャップで、電圧が放電開始電圧（スパークオーバ電圧、数百V〜1kV超）に達すると絶縁破壊しアーク放電へ移行します。アーク状態の両端電圧は十数〜数十Vまで落ち、ほぼ短絡になるため極めて大きなサージ電流（数kA〜数十kA）を逃がせます。

長所はエネルギー耐量とサージ電流耐量が三素子中最大で、平常時の漏れ電流・寄生容量がごく小さい（高周波回線にも使える）こと。短所は二つです。第一に応答が遅い（放電開始まで数百ns〜μs）。ガスのイオン化に時間がかかるため、立ち上がりの速いサージでは放電が始まる前に過渡的に高い電圧（インパルススパークオーバ電圧）が通り抜けます。第二が前述の続流で、交流電源では放電後に電源電圧で放電が維持され得るため、GDT単体を電源ラインに使うことは基本しません。

GDTの動作タイムライン（速いサージに対して）:

  電圧 │   ／＼ ← インパルススパークオーバ（放電前に出る尖り）
       │  ／  ＼____________ アーク電圧（十数〜数十V）に急落
       │ ／
       └──────────────────────── 時間
        ↑放電開始まで数百ns〜μsの遅れ

TVS ダイオード ── 超高速・低クランプの精密素子

TVS（Transient Voltage Suppressor）ダイオードは、ツェナー降伏／アバランシェ降伏を利用したクランプ素子です。半導体接合が降伏電圧でただちに導通するため応答がピコ秒〜サブナノ秒と圧倒的に速く、クランプ電圧も三素子中もっとも低く精密に制御できます。論理ICやインターフェース（USB・LAN など）の数V耐圧の入力を保護する用途の本命です。

三素子の応答速度・耐量・クランプの位置づけ:

  応答速度:  TVS（〜ps） ＞ MOV（〜数十ns） ＞ GDT（〜μs）
  電流耐量:  GDT（最大） ＞ MOV（中） ＞ TVS（最小）
  実効クランプ: TVS（低く精密） ＜ MOV（中）
              ※GDTは放電前のスパークオーバが高く放電後のアーク電圧は極低と二面性。続流注意

短所はエネルギー耐量が小さいこと。半導体チップは熱容量が小さく、雷の本体（kA級）を直接受けると破壊されます。したがってTVSは「上流で大半を削った後の残りを精密にクランプする」最終段の役割に徹し、単独で大サージに立ち向かわせてはいけません。なお双方向品（交流用）と単方向品（直流ライン用、逆方向は通常ダイオードとして導通）があり、極性を取り違えると平常電流が流れて焼損します。

多段協調 ── 粗・中・精をデカップリングで結ぶ

ここまでで分かるとおり、単一素子で「大電流に耐え」「速く反応し」「低くクランプする」ことは両立しません。そこで実務では役割を分担させた多段協調（カスケード）を組みます。要は、上流ほど大電流に強い遅い素子、下流ほど速くて低クランプの素子を置き、その間を直列インピーダンスでデカップリングして順番に動作させます。

雷サージ保護の多段協調（入口→基板へ）:

  受電点 ──[L/R]──┬──[L/R]──┬──── 保護対象IC
       │          │          │
    [粗:GDT/      [中:MOV]   [精:TVS]
     大型MOV]      │          │
      GND         GND        GND
  Type1(クラスI)  Type2(II)  Type3(III)

  直列のL/R（配線インダクタンス・抵抗・専用素子）が
  各段の電圧差を作り、上流から順に確実に分担動作させる

カギは段間の**直列インピーダンス（デカップリングインダクタンス／抵抗）**です。SPDは並列素子なので、複数を単純に並べただけでは配線インピーダンス差で動作タイミングと分担がばらつきます。段間にわずかなインダクタンス（配線そのもの、または専用の分離素子）を挟むと、サージ電流が流れた瞬間に L×(di/dt) の電圧差が段間に立ち、上流のクランプ電圧が下流のそれより高くなるように調停されます。これにより「まず入口の粗保護が大電流を引き受け、残った速い成分・残留電圧を下流の精保護が低くクランプする」順序が成立します。デカップリングが不足すると、遅いはずの上流が間に合わず下流のTVSに過電流が集中して破壊されます。

GDTとMOV/TVSを直列に重ねる組み合わせも定番です。GDTを直列に入れると平常時はGDTが開放なのでMOVに常時電圧がかからず漏れ電流・劣化を抑えられ、サージ時はGDTが放電してからMOV/TVSがクランプを引き受けます。GDTの続流問題も、直列のMOVが電圧を抑えることで放電維持を断ち切れます。互いの短所を補い合う典型です。

まとめ

• サージは 8/20μs などの短時間に集中する過渡過電圧エネルギーで、SPDは負荷と並列に入り、平常時は高抵抗・サージ時は低抵抗に急変して電流を分流し、機器が見る電圧を制限する。
• 動作機構は二分される。**クランプ型（MOV・TVS）**は電圧を閾値で頭打ちにして続流が起きにくく、**クローバ型（GDT）**はほぼ短絡へ折り返して大電流に耐えるが交流では続流が問題になる。
• 三素子は速さ・電流耐量・クランプ電圧のトレードオフにある。GDTは耐量最大だが応答が遅い、TVSはピコ秒級で最速・低クランプだが耐量が小さい、MOVは中庸だが経年劣化して熱暴走し得る消耗品。
• 単独素子では成立しないので、入口の粗（GDT/大型MOV）→中（MOV）→基板の精（TVS）の多段協調を組み、段間の直列インピーダンスでデカップリングして上流から順に動作させる。GDT＋MOVの直列重ねは続流と劣化を同時に抑える定番。
• SPDが働く前提は低インピーダンス接地で、接地が高いとグラウンドバウンスで保護が崩れる。位置づけは /power/power-quality-disturbances/ の過渡対策、接地側は /power/grounding-protection/ を参照。