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）

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。

　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。

　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。

図4：空間距離と沿面距離

　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。

　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。

図5：最小の沿面距離と空間距離を示すDC-DCコンバーターのPCBレイアウト

　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。

　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。

　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。