DC-DCコンバーターの安全性（1） 感電保護：DC-DCコンバーター活用講座（26）（4/5 ページ）
今回からDC-DCコンバーターの安全性に関して説明します。まずは、DC-DCコンバーターの1つの機能である「感電保護」を取り上げます。
感電保護
安全規格では、感電保護に関して次の3つの主要な仕様が考慮されます。
- 絶縁耐力
- 空間距離
- 沿面距離
安全性に関する絶縁耐力テストは、DCまたはACのテスト電圧を使って行います（ピークAC電圧は定常状態のDC電圧に等しい）。この電圧に、絶縁破壊することなく60秒間耐えなければなりません。ACテストの長所は、正負両方の電圧ストレスがコンバーターの両端に印加されることです。短所は、EMCコンデンサーを絶縁バリアの両端に接続した場合、無効AC電流の発生が絶縁破壊と誤解される可能性があることです。迷うときは、DC電圧を使用します。
| 絶縁グレード | テスト電圧（DC） | テスト電圧（AC） |
|---|---|---|
| 機能 | 1000V/60秒 | 707VACRMS |
| 基礎 | 1000V/60秒 | 707VACRMS |
| 強化 | 2000V/60秒 | 1414VACRMS |
| 表3：DC-DCコンバーターの安全絶縁耐力テスト（医療アプリケーション以外） | ||
空間距離は、入力側と出力側を「直線で」分離した場合の最小距離です。アーク距離と呼ばれることもあります。沿面距離は、入力側と出力側を表面に沿って分離した場合の最小距離です。トラッキング距離と呼ばれることもあります。図4に、これらの距離をダイヤグラム形式で表します。
安全規格では、最小の空間距離と沿面距離をコンバーター両端の電圧、使用材料、動作環境に基づいて定義しています。
空間距離は、「標高2000m以下の空気中」という基準で定義され、コンバーターの入力電圧と絶縁分類によって異なります。完全に樹脂充填されたDC-DCコンバーターには空気が存在しないので、空間距離は単にコンバーターの入出力端子間の距離になります。オープンフレームのDC-DCコンバーターの場合、内部トランスの巻線分離は空間距離の計算には含まれません。ただし、トランスの一次巻線と二次巻線の端子間の空間距離、または一次巻線と近接する二次巻線側の部品との間の空間距離は、いずれもPCB上での入出力端子間の空間距離より小さい場合に使用されます。
| DC（AC）電圧 | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 絶縁グレード | 12 （12） |
36 （30） |
75 （60） |
150 （125） |
300 （250） |
450 （400） |
600 （500） |
800 （66） |
VDC （VAC） |
| 機能 | 0.4 | 0.5 | 0.7 | 1.0 | 1.6 | 2.4 | 3 | 4 | mm |
| 基礎 | 0.8 | 1 | 1.2 | 1.6 | 2.5 | 3.5 | 4.5 | 6 | mm |
| 強化 | 1.6 | 2 | 2.4 | 3.2 | 5 | 7 | 9 | 13 | mm |
| 表4：各種絶縁グレードにおける空気中での最小空間距離 | |||||||||
最小沿面距離は、動作電圧、使用材料の表面伝導率、汚染度により定義されます。沿面距離は、PCB上の一次配線と二次配線間の最近点で測定されます。
| 絶縁材I | 600≦CTI |
|---|---|
| 絶縁材II | 400≦CTI＜600 |
| 絶縁材IIIa | 175≦CTI＜400 |
| 絶縁材IIIb | 100≦CTI＜175 |
| 表5：材料クラスの定義 | |
比較トラッキング指数（CTI）は、入力と出力を分離する絶縁材料（通常はコンバーターのPCB）の表面伝導率に応じて、沿面距離に1つの要素を追加します。
標準のFR4 PCBボードの一般的なCTIは200〜250で、ハンダの抵抗により400に増加します（クラスIIIa）。ただし、ボードにPTFEコーティングが施されている場合は、CTIが600を超える可能性があります（クラスI）。汚染環境、産業環境、または屋外環境では、比較トラッキング指数（CTI）の変化を補償するために距離を大きくする必要があるので、最小沿面距離の計算時に表面の湿度や汚染物質の要素が、汚染度（PD）により追加されます。
| 汚染度 | 汚染度1 | 汚染度2 | 汚染度3 | 汚染度4 |
|---|---|---|---|---|
| 環境状態 | 汚損なし、または乾燥した非導電体による汚損のみ。伝導率には影響しない。 | 通常は非導電体による汚損のみ。一時的に結露が生じる可能性がある。 | 導電的汚損と結露が頻繁に発生している。 | 導電的汚損と結露が永続的に発生している。 |
| 環境例 | 封止された部品 | オフィス環境 | 産業環境 | 屋外環境 |
| 表6：汚染度 | ||||
下の表7に、動作電圧、材料グループ、汚染度に応じた最小沿面距離を示します。
| 最小沿面距離 | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ピーク 電圧 （V） |
汚染度 | ||||||
| 1 | 2 | 3 | |||||
| 全材料 グループ |
材料グループ | ||||||
| I | II | III | I | II | III | ||
| mm | mm | mm | mm | mm | mm | mm | |
| 25 | 0.125 | 0.500 | 0.500 | 0.500 | 1.250 | 1.250 | 1.250 |
| 32 | 0.14 | 0.53 | 0.53 | 0.53 | 1.30 | 1.30 | 1.30 |
| 40 | 0.16 | 0.56 | 0.80 | 1.10 | 1.40 | 1.60 | 1.80 |
| 50 | 0.18 | 0.60 | 0.85 | 1.20 | 1.50 | 1.70 | 1.90 |
| 63 | 0.20 | 0.63 | 0.90 | 1.25 | 1.60 | 1.80 | 2.00 |
| 80 | 0.22 | 0.67 | 0.95 | 1.30 | 1.70 | 1.90 | 2.10 |
| 100 | 0.25 | 0.71 | 1.00 | 1.40 | 1.80 | 2.00 | 2.20 |
| 125 | 0.28 | 0.75 | 1.05 | 1.50 | 1.90 | 2.10 | 2.40 |
| 160 | 0.32 | 0.80 | 1.10 | 1.60 | 2.00 | 2.20 | 2.50 |
| 200 | 0.42 | 1.00 | 1.40 | 2.00 | 2.50 | 2.80 | 3.20 |
| 250 | 0.56 | 1.25 | 1.80 | 2.50 | 3.20 | 3.60 | 4.00 |
| 320 | 0.75 | 1.60 | 2.20 | 3.20 | 4.00 | 4.50 | 5.00 |
| 400 | 1.0 | 2.00 | 2.80 | 4.00 | 5.0 | 5.6 | 6.3 |
| 500 | 1.3 | 2.50 | 3.60 | 5.00 | 6.3 | 7.1 | 8.0 |
| 630 | 1.8 | 3.20 | 4.50 | 6.30 | 8.0 | 9.0 | 10.0 |
| 800 | 2.4 | 4.00 | 5.60 | 8.0 | 10.0 | 11.0 | 12.5 |
| 1000 | 3.2 | 5.00 | 7.10 | 10.0 | 12.5 | 14.0 | 16.0 |
| 表7：沿面距離 | |||||||
ところで、上述の表が実際の要件にどのようにつながるのでしょうか？ 通常の動作条件では、動作電圧がコンバーター両端への最大印加電圧なので、公称で48V入力、24V出力の入力電圧範囲2:1のコンバーターは、最大入力電圧72Vに出力電圧24Vを加えた96Vdcの沿面要件を満たす必要があります。したがって、上記の表7では、それに最も近い上の電圧である100Vを使用します（表7のハイライト領域を参照）。
完全に樹脂充塡（じゅうてん）されたDC-DCコンバーターは、ホコリ、湿気、汚染の侵入に対して封止されているので、アプリケーション環境にかかわらずPD1に分類されます。このため、入力配線と出力配線の分離に最小限必要な沿面距離は0.25mmです。コンバーターがオープン・フレーム・デザインの場合、その距離はオフィス環境では1.4mm、産業環境では2.2mmに増加します。オープン・フレーム・コンバーターは屋外アプリケーションには適さないので、最小沿面距離は指定されていません。
戻って表4を参照すると、この埋め込みコンバーターの端子間の最小空間距離は、機能絶縁では1mm、基礎絶縁では1.6mm、強化絶縁では3.2mmになります。実際には、コンバーターをハンダ付けするPCBパッド間の最小距離も考慮に入れる必要があります。その結果、樹脂充填の低電圧DC-DCコンバーターを機能絶縁のコンバーターとして産業環境で使用する場合、入出力間には最小1mmの沿面距離と空間距離が必要です。このとき、沿面距離は必ず空間距離以上になります。オープンフレームの同じ低電圧コンバーターの場合も空間距離が1mm必要ですが、沿面距離は2.2mmに増加します。
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