故障モード 1：絶縁障壁に高電圧が印加された場合

図 2 に、アイソレータの構成例を示します。このアイソレータには、サイド 1 に 1 組、サイド 2 にもう 1 組のピンがあります。通常動作時は、サイド 1 のピンはすべて GND1 を基準として低電圧で、サイド 2 のピンはすべて GND2 を基準として低電圧です。アイソレータで消費される電力は、アイソレータのピンに印加される電圧と電流によって決まります。通常動作時は、電力はアイソレータのデータシートに規定された最大制限を下回るように維持されます。GND1 と GND2 の間には非常に高い電圧が存在することがあり、この電圧はアイソレータ内部の絶縁障壁に現れます。

図 2 アイソレータの通常の動作構成例

アイソレータは、振幅と持続時間が異なる高電圧の過渡プロファイルに耐えるように設計されています。それに応じて、アイソレータの絶縁性能は複数のパラメータによって定量化されます。60 秒の絶縁耐圧 (V_ISO および V_IOTM) は、スイッチング負荷や故障によってシステムの電源ラインに発生する短時間過電圧に対する耐性を示します。反復ピークまたは動作電圧 (V_IOWM および V_IORM) は、アイソレータがその動作寿命を通じて連続的に耐えることができる電圧です。サージ耐久電圧 (V_IOSM) は、直接的および間接的な落雷時に電源ラインに誘導される電圧を表す特定の過渡プロファイル (1.2/50μs – IEC 61000-4-5 参照) に対する耐性を表しています。

それぞれのパラメータについて、絶縁障壁が破壊され、アイソレータの一方からもう一方への短絡が発生する電圧値が制限値として設定されています。これらのパラメータはアイソレータのデータシートに記載されており、アイソレータが損傷することなく高電圧に対応できることを示しています。各パラメータの詳細については、関連資料 [1] を参照してください。たとえば、図 1 に示すモーター ドライブ システムの場合、システム レベルでは、入力電源ラインに前述のようなさまざまな過電圧プロファイルが発生します。絶縁型ゲート ドライバの一方の端が AC ラインにガルバニック接続され、もう一方の端が接地されていることから、ゲート ドライバ内の絶縁障壁はこれらのストレスに直接さらされているのです。

図 3 と 図 4 は、絶縁障壁に現れるこれらの高電圧ストレスを、フォトカプラと直列コンデンサを用いたテキサス・インスツルメンツの強化絶縁型アイソレータを使用した例で示したものです。ストレス電圧がアイソレータの安全制限値を上回った場合、絶縁障壁が劣化し、サイド 1 とサイド 2 の間に低抵抗のパスが形成されます。フォトカプラの場合はシリコンと絶縁テープを組み合わせて絶縁障壁を形成していますが、テキサス・インスツルメンツのアイソレータでは、2 つの高電圧 SiO₂ コンデンサを直列に接続して絶縁障壁を形成しています。いずれの場合も、定格制限は絶縁障壁の故障によって得られるため、定義上、両方のアイソレータは「フェイル ショート」となります。

図 3 フォトカプラを用いたアイソレータにかかる高電圧ストレス

図 4 直列コンデンサを用いたアイソレータにかかる高電圧ストレス

アプリケーションに応じて、システムで使用されるアイソレータの仕様は最終製品の規格によって決定されます。これらの規格によって、アイソレータは現実的な使用例で絶縁障壁を通る可能性のある電圧ストレス レベルよりも高い強度を持つことが保証されます。たとえば、IEC 61800-5-1 は、AC モーター ドライブ アプリケーションで使用されるアイソレータの要件を定めています。最終製品の規格に準拠したアイソレータを選択することで、実際の動作中に過電圧によって絶縁障壁の故障が発生するリスクを最小限に抑えることができます。ただし、アイソレータが規格要件を上回っていれば、リスクはさらに低減できます。

本書で説明したテキサス・インスツルメンツの強化絶縁型デバイスは、絶縁材として SiO₂ を使用しており、競合ソリューションよりもはるかに高い耐電圧 (500V/μm) を有しています。たとえば、従来型のフォトカプラで使用されているシリコンとモールド コンパウンドには、耐電圧 30V/μm～50V/μm があります。また、テキサス・インスツルメンツの強化絶縁型アイソレータは精密な半導体製造プロセスを駆使して製造されているため、各部品の大きさや位置、隙間などが厳密に管理されています。これら 2 つの要因により、テキサス・インスツルメンツのデバイスは特定のパッケージに対して非常に高い絶縁性能を発揮します。一時的な過電圧やサージだけでなく、長年にわたる連続的な高電圧動作にも適切に対応します。たとえば、16-SOIC パッケージに搭載されたテキサス・インスツルメンツのアイソレータは、同様の競合ソリューションに比べて動作電圧が 50% 高くなっています。テキサス・インスツルメンツのアイソレータにおける絶縁性能の詳細については、対応する製品のデータシート、および関連資料 [1] を参照してください。

特定のアプリケーションに対して、テキサス・インスツルメンツの強化絶縁型デバイスは、最終製品の規格で定められている要件を上回る重要な余裕度をもたらすことができます。これによって、故障モード 1 の発生確率が最小限に抑えられます。IEC 61800-5-1 規格の説明、およびこの規格の要件に対するテキサス・インスツルメンツのアイソレータの性能比較については、関連資料 [2] を参照してください。