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突入電流、入力サージ電流、またはスイッチオンサージとは、電気機器が最初に電源投入されたときに流れる最大瞬間入力電流のことです。交流電動機や変圧器は、電源投入時に入力波形の数サイクルにわたって、通常の全負荷電流の数倍の電流を流すことがあります。電力変換器も、入力容量の充電電流のために、定常電流よりもはるかに高い突入電流が発生することがよくあります。高い突入電流を許容する必要がある場合、ヒューズや回路ブレーカーなどの過電流保護装置の選定はより複雑になります。過電流保護装置は、過負荷や短絡故障に迅速に対応する必要がありますが、（通常は無害な）突入電流が流れている間は回路を遮断してはなりません。
放電状態または部分的に充電されたコンデンサは、電源電圧がコンデンサの電位よりも高い場合、電源に対して短絡状態として現れます。完全に放電されたコンデンサが完全に充電されるまでには、約 5 RC周期かかります。充電期間中、瞬時電流は定常電流を大幅に上回ることがあります。コンデンサが完全に充電されると、瞬時電流は定常電流まで減少します。開放回路の場合、コンデンサはピーク交流電圧まで充電されます（実際には交流電源でコンデンサを充電することはできないため、これは変動するものの単方向の電圧、例えば整流器からの出力電圧を指します）。
バッテリーなどの直線的な直流電圧からコンデンサを充電する場合、コンデンサは短絡状態とみなされます。電源から流れる電流は、電源の内部抵抗とコンデンサの等価直列抵抗（ESR）によってのみ制限されます。この場合、充電電流は連続的に流れ、負荷電流まで指数関数的に減少します。開放回路の場合、コンデンサは直流電圧まで充電されます。
フィルタコンデンサの充電期間における初期突入電流から保護することは、デバイスの性能にとって非常に重要です。入力電源と整流器の間に一時的に高抵抗を導入することで、電源投入時の抵抗値を増加させ、突入電流を低減できます。この目的には突入電流リミッタを使用することが有効です。リミッタは必要な初期抵抗値を提供できるためです。
変圧器が最初に通電されると、定格変圧器電流の 10 ～ 15 倍にもなる過渡電流が数サイクルにわたって流れることがあります。同じ電力処理能力で銅の使用量が少ないトロイダル変圧器では、突入電流が運転電流の最大 60 倍になることがあります。最悪の突入電流は、一次巻線が一次電圧のゼロクロス付近の瞬間（純粋なインダクタンスの場合、交流サイクルの電流が最大になる瞬間）に接続され、かつ電圧の半サイクルの極性が鉄心の残留磁化の極性と同じである場合（前の半サイクルから残留磁化が高く残っている場合）に発生します。巻線と鉄心のサイズが通常飽和の 50% を超えないように設計されていない限り（効率的な変圧器では決して超えません。そのような構造は過度に重く非効率的です）、このような起動時には鉄心が飽和します。これは、通常動作時の残留磁気がヒステリシスループの「ニー」における飽和磁気とほぼ同程度に高いと表現することもできます。しかし、コアが飽和すると、巻線インダクタンスは大幅に減少し、一次側巻線の抵抗と電源線のインピーダンスのみが電流を制限するようになります。飽和は半サイクルの一部でのみ発生するため、高調波を多く含む波形が発生し、他の機器に問題を引き起こす可能性があります。巻線抵抗が低くインダクタンスが高い大型変圧器の場合、これらの突入電流は、過渡現象が収まり（減衰時間はX L / Rに比例）、通常の交流平衡が確立されるまで数秒間続くことがあります。磁気突入を回避するには、コアにエアギャップがある変圧器の場合のみ、誘導性負荷を電源電圧のピーク付近で同期接続する必要があります。これは、高出力ヒーターなどの抵抗負荷で鋭い電流過渡現象を最小限に抑えることが望ましいゼロ電圧スイッチングとは対照的です。しかし、トロイダル変圧器の場合、電源投入前に予磁処理を行うことによってのみ、突入電流のピークを発生させることなく変圧器を起動することができる。
突入電流は、以下の3つのカテゴリーに分類できます。
交流または直流の電動機に初めて通電すると、回転子は回転せず、停止電流に相当する電流が流れます。この電流は、電動機の回転速度が上がり、電源に逆らう逆起電力が発生するにつれて減少します。交流誘導電動機は、回転子が回転し始めるまで二次側が短絡した変圧器のように動作しますが、ブラシ付き電動機は基本的に巻線抵抗のみを示します。電動機の回転速度が上がるまで機械的負荷が軽減されると、始動時の過渡現象の持続時間は短くなります。
金属は抵抗の温度係数が正であり、低温では抵抗が低くなります。電気窯やタングステンフィラメント白熱電球のバンクなど、金属抵抗加熱要素を相当量含む電気負荷は、金属要素が動作温度に達するまで大電流を引き込みます。たとえば、白熱電球を制御することを目的とした壁スイッチには「T」定格があり、白熱電球の大きな突入電流を持つ回路を安全に制御できることを示しています。突入電流は定常電流の最大 14 倍にもなり、小型の電球では数ミリ秒、500 ワット以上の電球では数秒間続くことがあります。[ 1 ]現在ではほとんど使用されていない (非黒鉛化) カーボンフィラメントランプは、負の温度係数を持ち、温まるにつれてより多くの電流を引き込みます。これらのタイプの電球では「突入」電流は発生しません。
入力コンデンサへの充電電流を制限するために、ラインに直列に抵抗器を接続することができます。しかし、この方法は、特に高出力デバイスではあまり効率的ではありません。抵抗器によって電圧降下が発生し、電力が消費されるためです。
突入電流は、突入電流リミッタによって低減することもできます。負の温度係数（NTC）サーミスタは、突入電流による損傷を防ぐために、スイッチング電源、モータドライブ、オーディオ機器などで一般的に使用されています。サーミスタは、温度変化によって抵抗値が大きく予測可能に変化する感温抵抗器です。NTCサーミスタの抵抗値は、温度が上昇するにつれて減少します。[ 2 ]
突入電流リミッタが自己発熱すると、電流が流れてリミッタを温めます。抵抗値が低下し始め、比較的小さな電流が入力コンデンサを充電します。電源のコンデンサが充電されると、自己発熱した突入電流リミッタは回路内で抵抗が小さくなり、回路全体の電圧降下に対して電圧降下が小さくなります。欠点としては、デバイスの電源を切った直後はNTC抵抗器がまだ高温で抵抗値が低いため、1分以上冷却して抵抗値を上げない限り、突入電流を制限できないことが挙げられます。また、NTCサーミスタは短絡保護機能を持たないことも欠点の一つです。
変圧器の突入電流を回避するもう一つの方法は、「変圧器切替リレー」を使用することです。これは冷却時間を必要とせず、電力線の半波電圧降下にも対応でき、短絡保護機能も備えています。この技術は、IEC 61000-4-11試験において重要です。
特に高電圧回路の場合、別の選択肢として、プリチャージ回路を使用する方法があります。この回路は、コンデンサの充電中は電流制限付きのプリチャージモードをサポートし、負荷電圧が満充電の90%に達した時点で、通常の動作のために無制限モードに切り替わります。
変圧器、電動機、電磁石、またはその他の誘導性負荷のスイッチがオフになると、インダクタによってスイッチまたはブレーカーの両端の電圧が上昇し、長時間のアーク放電が発生する可能性があります。変圧器の一次側がオフになると、誘導キックによって二次側に電圧スパイクが発生し、絶縁体や接続された負荷が損傷する可能性があります。[ 3 ]