JAJY037B March 2018 – January 2024 AMC1305M25 , AMC1311 , AMC1311-Q1 , ISO1042 , ISO1042-Q1 , ISO5851 , ISO7741 , ISO7841 , ISOM8710 , UCC20225-Q1 , UCC20225A-Q1 , UCC21520 , UCC21540 , UCC23513 , UCC5390
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。
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 (VISO および VIOTM) 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 (VIOWM および VIORM) 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 (VIOSM) 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。
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。
異常時や故障時には、アイソレータの一方の電圧や電流が、同じ側の接地に対して非常に高くなることがあります (図 5 参照)。一つの例として、低インピーダンスの出力ピンでの短絡イベントが挙げられます。別の例は、高電圧 DC バス ラインに接続されたピンが短絡し、電気的な故障を引き起こすことです。高電圧と大電流が同時に存在することから、これらは大電力イベントとなります。
このようなイベントが発生すると、電気的オーバーストレス (EOS) や内部の熱が原因で絶縁障壁が劣化することがあります。たとえば、図 6 のフォトカプラでサイド 2 に大電力イベントが発生した場合、ディテクタのダイに熱や EOS が発生する可能性があります。この損傷は絶縁材にまで容易に達して、絶縁性能の低下をもたらします。絶縁材が完全に破壊されていないと考えるのが妥当ですが、どの程度の絶縁材が残っているかを正確に定量化することは困難です。
図 7の直列コンデンサ ベースのアイソレータを参照すると、サイド 2 で高電圧 / 大電力イベントが発生した場合、右側のダイが損傷し、右側のダイの一部である絶縁コンデンサも損傷する可能性があります。ただし、モールド コンパウンドが邪魔をして、左側のダイや、ダイに配置された絶縁コンデンサに損傷が及ぶことはありません。これによって、本来の絶縁性能のほぼ半分を保ちながら、絶縁が維持されます。たとえば、本来のアイソレータが強化絶縁定格である場合、大電力イベントが発生した後でも、コンデンサ 1 つの完全な絶縁定格を保持できることになります。したがって、アイソレータが「フェイル オープン」になっても、「基礎絶縁」は依然として維持されるということです。
故障モード 2 を防ぐ一つの方法は、たとえば、電流制限付き電源などの外部手段を使用して、故障イベントが発生してもアイソレータ内部で散逸される熱を一定の安全制限値に抑えることです。アイソレータのデータシートに記載されている電流と電力の「安全制限値」によって指定されるこの値は、それ以下であればアイソレータの絶縁性能が損なわれることはありません。
ただし、このような電流制限を行うことは必ずしも現実的ではありません。図 1 に戻ると、IGBT (1) でコレクタからゲート間に絶縁破壊が発生した場合、DC バスの高電圧がゲート ドライバの出力ピンに現れ、そのピンに接続された回路に電気的オーバーストレスが生じます。システム レベルではこうした事態を防ぐ簡単な方法はありません。このようなシナリオでは、
テキサス・インスツルメンツの強化絶縁型アイソレータの「フェイル オープン」動作によって、システムの電気的安全性が大幅に高められます。