ロゴスキーコイルとは？大電流・高速電流測定への活用

ロゴスキーコイルは、導体に流れる交流電流やパルス電流を非接触で測定するための電流センサです。柔軟なコイルを測定導体の周囲に巻き付けて使用するため、太いケーブル、バスバー、狭い場所など、一般的なクランプ式電流プローブでは取り付けにくい測定対象にも対応できます。

磁性体コアを使用しないため、大電流を測定しても磁気飽和が発生しにくく、インバータ、モータドライブ、スイッチング電源、パワー半導体などの電流測定に使用されています。

ここでは、ロゴスキーコイルの基本的な仕組み、特長、測定できる電流、選定方法、取り付け方法、使用上の注意点について解説します。

　
　
■ロゴスキーコイルとは

ロゴスキーコイルは、非磁性材料で構成された柔軟なコイルを測定導体の周囲に配置し、導体に流れる電流の変化を検出するセンサです。

測定導体に流れる電流によって周囲に磁界が発生し、その磁界が時間的に変化すると、ロゴスキーコイルに電圧が誘起されます。

ロゴスキーコイルの出力電圧は、電流そのものではなく、電流の時間変化率に比例します。

出力電圧∝di/dt

そのため、実際の電流波形を得るには、コイルの出力信号を積分する必要があります。

　
　
■ロゴスキーコイルの構造

ロゴスキーコイル電流プローブは、一般的に以下の部分で構成されています。

・　測定導体を囲む柔軟なセンサコイル
・　コイルの開閉部または接続部
・　コイルと積分器を接続するケーブル
・　出力信号を積分する積分器
・　オシロスコープへ接続するBNCケーブル
・　積分器を動作させる電源

センサコイルには、磁性体ではなく空芯構造が使用されています。空芯構造により、一般的な電流トランスのような磁気飽和が発生しにくくなります。

柔軟なコイルを開いて測定導体の周囲に通し、コイルの両端を確実に接続して閉ループを形成します。

　
　
■積分器の役割

ロゴスキーコイルの出力は電流の時間変化率に比例するため、そのままでは電流波形として表示できません。

積分器は、ロゴスキーコイルから出力された信号を時間積分し、導体に流れる電流に比例した電圧信号へ変換します。

一般的なロゴスキーコイル電流プローブでは、センサコイルと専用積分器が一つの測定システムとして設計されています。

積分器の特性は、以下の性能に影響します。

・　変換比
・　周波数帯域
・　低域遮断周波数
・　ノイズ
・　最大測定電流
・　出力電圧範囲
・　波形のドループ

センサコイルと積分器は校正された組み合わせで使用し、メーカーが指定していない積分器や延長ケーブルへ交換しないことが重要です。

　
　
■直流電流を測定できない理由

ロゴスキーコイルは、電流の変化によって発生する磁界の変化を検出します。

一定の直流電流では磁界が時間的に変化しないため、コイルに電圧が誘起されません。そのため、ロゴスキーコイルは直流電流を測定できません。

ただし、大きな直流電流に交流成分やリップル電流が重畳している場合は、その変動成分だけを測定できます。

直流成分を含む電流波形全体を測定する場合は、ホール素子を使用したAC/DC電流プローブなどを使用します。

　
　
■ロゴスキーコイルの主な特長

ロゴスキーコイルには、以下のような特長があります。

・　大電流の測定に対応しやすい
・　磁性体コアを使用しないため磁気飽和が発生しにくい
・　センサコイルが軽量で柔軟
・　太いケーブルやバスバーへ取り付けやすい
・　回路を切断せずに電流を測定可能
・　広い周波数帯域に対応できる
・　測定対象へ与える負荷が小さい
・　直流電流は測定できない
・　低周波測定には制限がある
・　小電流測定では感度が不足する場合がある

数百Aから数kAの大電流を測定する場合でも、測定電流に比例してセンサコイルを大型化する必要がないことが大きな利点です。

　
　
■クランプ式電流プローブとの違い

一般的なクランプ式AC/DC電流プローブは、磁性体コア、電流トランス、ホール素子などを使用して電流を検出します。

クランプ式AC/DC電流プローブは直流電流を測定できますが、磁性体コアの磁気飽和、センサヘッドの寸法、最大測定電流などの制約があります。

ロゴスキーコイルは磁性体コアを使用しないため、大電流やパルス電流に対応しやすく、太い導体や複雑な形状のバスバーにも取り付けやすいという特長があります。

一方、ロゴスキーコイルは直流電流を測定できず、一般的なAC/DC電流プローブより小電流測定の感度が低い場合があります。

測定する電流の種類、最大電流、周波数、導体形状、必要な感度に応じて使い分けます。

　
　
■主な測定用途

ロゴスキーコイルは、以下のような用途で使用されます。

・　インバータの出力電流測定
・　モータの相電流測定
・　スイッチング電源の電流測定
・　パワー半導体のスイッチング電流測定
・　ダブルパルステスト
・　短絡電流や突入電流の観測
・　溶接機の大電流測定
・　バスバーに流れる電流の測定
・　雷インパルス電流の測定
・　大容量コンデンサの充放電電流測定

大電流を測定するだけでなく、短時間で変化する高速なパルス電流の観測にも適しています。

　
　
■最大測定電流

ロゴスキーコイルは磁気飽和が発生しにくいものの、無制限に大きな電流を測定できるわけではありません。

最大測定電流は、主に以下の要素によって制限されます。

・　コイルから発生する最大出力電圧
・　積分器の入力範囲
・　積分器の出力範囲
・　オシロスコープの入力範囲
・　コイルやケーブルの絶縁耐圧
・　電流の時間変化率
・　使用周波数

特に高速で変化する大電流では、di/dtが大きくなり、コイルの出力電圧や積分器の入力範囲を超える可能性があります。

最大電流だけでなく、最大di/dt、ピーク電流、パルス幅、繰り返し周波数を確認することが重要です。

　
　
■周波数帯域

ロゴスキーコイル電流プローブの周波数帯域には、低域遮断周波数と高域遮断周波数があります。

低域遮断周波数より低い信号は正確に測定できず、長いパルスでは波形が徐々に低下するドループが発生する場合があります。

高域遮断周波数を超える高速成分は減衰し、立上り時間が遅く表示されたり、ピーク電流が小さく表示されたりします。

測定するスイッチング周波数だけでなく、以下の項目を考慮して帯域幅を選定します。

・　パルス幅
・　立上り時間
・　立下り時間
・　繰り返し周波数
・　必要な観測時間
・　リンギングの周波数

長時間の電流変化を測定する場合は低域特性を、高速スイッチング電流を測定する場合は高域特性を確認します。

　
　
■ドループとは

ドループとは、一定に近いパルス電流を測定した際に、表示される波形が時間とともに徐々に低下する現象です。

ロゴスキーコイルは直流を測定できないため、パルス幅が長くなると低周波成分を正しく再現できず、波形に傾きが生じます。

ドループが大きいと、パルスの後半部分の電流値や平均電流を正確に評価できません。

長いパルスを測定する場合は、プローブの低域遮断周波数、ドループ率、最大パルス幅などの仕様を確認します。

　
　
■コイルの取り付け位置

ロゴスキーコイルは、測定導体をコイルの閉ループ内に通して使用します。

正確な測定を行うためには、測定導体をコイルの中央付近に配置します。導体がコイルの接続部やケーブル引き出し部に近いと、測定誤差が増える場合があります。

取り付け時には、以下の点を確認します。

・　コイルが完全に閉じていること
・　接続部が確実に固定されていること
・　測定導体がコイル中央付近にあること
・　導体を接続部の近くに配置しないこと
・　コイルを必要以上に変形させないこと
・　最小曲げ半径を守ること
・　隣接する大電流導体から離すこと

製品によって最適な導体位置が指定されている場合があるため、取扱説明書の取り付け図を確認します。

　
　
■電流の方向

ロゴスキーコイルには、正の電流方向を示す矢印が表示されています。

測定導体を流れる電流の方向とコイルの矢印を一致させると、オシロスコープには正極性の波形が表示されます。

コイルを逆向きに取り付けると、表示される電流波形の極性も反転します。

電圧波形と電流波形から電力やスイッチング損失を演算する場合は、電流波形の極性が重要です。接続時に電流方向とコイルの矢印を確認します。

　
　
■外部磁界の影響

ロゴスキーコイルは、閉ループの外側にある電流の影響を受けにくい構造ですが、強い外部磁界が近くに存在すると測定誤差が発生する場合があります。

特に、複数回巻かれた導体、大電流バスバー、トランス、インダクタなどがコイルの近くにある場合は注意が必要です。

外部磁界の影響を確認する方法として、測定対象の電流を変えずにコイルの位置や向きを変更し、表示波形が変化するかを確認します。

コイルの位置を変えると波形が大きく変化する場合は、外部磁界や取り付け位置の影響を受けている可能性があります。

　
　
■高dv/dt電圧の影響

ロゴスキーコイルを高速で変化する高電圧部分の近くに配置すると、電界がコイルへ容量結合し、測定波形にノイズが重畳する場合があります。

特にSiCやGaNなどの高速スイッチング回路では、大きなdv/dtによる影響に注意が必要です。

高dv/dt電圧によるノイズを抑えるには、以下の方法があります。

・　コイルを高電圧スイッチングノードから離す
・　コイルと高電圧導体の平行配置を避ける
・　センサケーブルを電力配線から離す
・　必要に応じて配線やコイルの位置を変更する
・　メーカー指定のシールド方法を使用する

電流波形に不自然なスパイクが表示される場合は、実際の電流変化だけでなく、容量結合の影響も確認します。

　
　
■安全定格と導体電圧

ロゴスキーコイルで測定する際は、電流値だけでなく、測定導体の対地電圧も確認する必要があります。

コイルには、最大使用電圧、測定カテゴリ（CAT）、汚染度などの安全定格が規定されています。

電流が測定範囲内であっても、導体の電圧がコイルの定格を超えている場合は使用できません。

また、絶縁されていない裸導体への使用可否は製品によって異なります。裸導体に対応していない製品は、十分に絶縁された導体にのみ使用します。

測定システムの定格は、コイル、ケーブル、積分器、アクセサリの中で最も低い定格によって決まります。

　
　
■ロゴスキーコイルの選定ポイント

ロゴスキーコイル電流プローブを選定する際は、以下の項目を確認します。

・　最大ピーク電流
・　最小測定電流
・　変換比と感度
・　低域遮断周波数
・　高域遮断周波数
・　立上り時間
・　最大di/dt
・　最大パルス幅
・　ドループ特性
・　コイルの長さと直径
・　最小曲げ半径
・　測定導体の寸法
・　最大使用電圧
・　測定カテゴリ（CAT）
・　積分器の電源方式
・　オシロスコープの入力インピーダンス
・　接続ケーブルの長さ

最大電流だけで選定すると、小電流の分解能、長いパルスの再現性、高速信号の帯域幅が不足する場合があります。測定対象の電流波形全体を考慮することが重要です。

　
　
■使用上の注意点

ロゴスキーコイルを取り付ける際は、原則として測定対象の電源を切り、回路内の電荷が十分に放電されたことを確認します。

コイルを強く引っ張ったり、ねじったり、規定の最小曲げ半径より小さく曲げたりすると、内部巻線が損傷する可能性があります。

コイルの接続部が完全に閉じていない場合、感度や周波数特性が変化し、正確な測定ができません。

積分器の電源を入れた直後やレンジを変更した後は、出力が安定するまで時間が必要な製品もあります。測定前に取扱説明書でウォームアップ時間やゼロ調整方法を確認します。

使用前には、コイル、接続部、ケーブル、積分器、BNCコネクタに損傷がないことを点検します。

　
　
■まとめ

ロゴスキーコイルは、柔軟な空芯コイルを測定導体の周囲に巻き付け、電流の時間変化によって発生する信号を検出する電流プローブです。

磁性体コアを使用しないため磁気飽和が発生しにくく、太い導体やバスバーに流れる大電流、パルス電流、高速スイッチング電流の測定に適しています。

一方、直流電流は測定できず、低周波特性、ドループ、感度、取り付け位置、外部磁界、高dv/dt電圧の影響に注意が必要です。

正確な測定を行うには、最大電流、周波数帯域、最大di/dt、コイル寸法、安全定格を確認し、測定導体を指定された位置へ配置してコイルを確実に閉じることが重要です。