電源システムにおける過電圧カテゴリ

主電源機器のユーザーの多くは、自分の機器を身近なソケットに接続するだけで、その機器が正しく、安全に、確実に機能することを疑いません。この考えを裏付けるように、電源装置には厳しい国際規格が義務付けられています。他の機器に組み込まれているモジュール製品であっても、電気的安全上の絶縁や、サージやトランジェントに対する耐性を含む電磁適合性の最低レベルを満たすことが求められます。

実際のところ、家庭、オフィス、工場のどこであっても、壁のソケットから主電源が供給されていれば、それは最終機器にダメージを与えるような過度の電圧トランジェントが発生することがない比較的「クリーン」な環境であると考えられます。しかし、インフラストラクチャーの配線から分電盤、さらに建物のAC電源接続部へと進むにつれ、落雷やユーティリティーネットワーク上の他の設備からの負荷遮断などの、明らかな外部リスクによる過電圧が発生する可能性が高まっていきます。

OVCを取り巻く環境

電気自動車用の家庭用充電器やDINレールに取り付ける電源など、単相または複相のAC/DC電源が中央の配電盤に常時配線されているアプリケーションがあります。これらの場所では、より厳しいトランジェントの振幅とエネルギーレベルのために、プラグイン電源に必要なものと比較して、電力変換器には追加の過電圧保護が必要です。

国際規格である IEC 60664-1（低電圧供給システム内の機器の絶縁調整）では、表 1 に示すように OVC I ～ OVC IV と呼ばれる 4 つの設置カテゴリが定義されています。

OVC Iは、ノートパソコンの充電器からDC電源を供給されるコンピュータなど、十分に保護された絶縁電源から下流側に接続される電源機器に関するもので、一方、OVC IVは、入力電源に直接接続される電力会社の機器に適用されます（図1）。


つまり、建物内の主電源機器の大半は、OVC IIおよびOVC IIIのカテゴリーに分類されます。一般に、OVC IIには、主電源プラグがあり、ヒューズまたは回路ブレーカーによって保護されている家庭用、作業場用、およびオフィス用のすべての機器が含まれます。OVC IIIは主に、リレー、サーキットブレーカー、固定設置型電源など、スイッチキャビネットや配電盤内に設置されたハードワイヤード機器を指します。

雷からの保護について具体的に説明すると、IEC 62305-1規格では、OVCエリアIV〜Iに対応する「ゾーン」LPZ 0〜LPZ 3を定義しています。サージ保護デバイス（SPD）の規格IEC 61643-11においても、それぞれLPZ0、1、および2に対応する保護デバイスクラスI、II、およびIIIの定義と一致しています。

IEC 61643-11規格では、抑制デバイスの有効性を証明するために必要な異なる試験波形も定義されています。すなわち、直接の落雷に起因する10/350µsのトランジェントと、間接的な（誘導）落雷や大気中の雷に起因する8/20µs＋1.2/50µsの複合特性です。

これらすべての異なるサージイベントから保護するためには、多段式の抑制システムが必要です（図2）。

また、これらの設置コードでは、高エネルギーや繰り返しの落雷によってSPDが損傷を受けた場合に、ユーザーに知らせるための寿命表示（音声または視覚）も一般的に要求されています。

OVCの相違点

異なる OVC の機器は、低電圧配電ネットワークで予想されるトランジェントによる異なるインパルス電圧に耐える必要があります。

IEC 60664-1では、この点に関して以下に規定しています（表 2）。

表2の値は、基本絶縁の定格1.2/50μsピークインパルス電圧に基づくことに留意しなければなりません。二重絶縁または強化絶縁の場合は、次に高い電圧カテゴリが使用されます。例えば、300VrmsのOVC IIの場合、強化絶縁では4000Vのインパルス電圧の定格が必要となります。

しかし、適合性テストを行う場合には、動作高度も考慮する必要があります。表2のインパルス試験の電圧値は標高2000mのものですが、それより低い標高では値が大きくなります。したがって、定格4000Vは海抜0mでは定格4923Vに増加します。IEC 60664-1 の表 F.5 には、この点に関する補正係数が示されています。

一方で、高度が高くなると必要な最小クリアランス距離は長くなります。例えば、クリアランスの高度補正係数は2000mでは1.00ですが、5000mでは1.48に増加しています。IEC 62109-1の表F.1には、この点に関する補正係数が示されています。

OVC IIIの電源には強化された安全バリアが必要

OVC IIIエリア向けの電源は、一般的なOVC II定格タイプに比べて、耐電圧やクリアランス距離などの仕様が強化されています。これらに対応するためには、すぐ前の絶縁トランスでトランジェントをOVC IIレベルに抑えることができますが、これは多くの場合、扱いにくく高価なソリューションになります。より良い解決策としては、OVC III環境で直接接続できるような電源を設計することです。

AC/DC電源の設計に影響を与えるのは、ラインとアクセス可能な部品の間のクリアランス距離を非常に長くしなければならないことです。OVC II 環境で使用するために設計された基本的な絶縁の AC/DC 製品では、定格 4kV の絶縁バリアに対して 3.0mm の最小クリアランスが必要ですが、OVC III 環境では、定格インパルス電圧が 6kV に増加するため、5.5mm の最小クリアランスが必要になります（IEC 60664-1 規格の表 F1 および F2）。しかし、ほとんどの AC/DC コンバータには強化された絶縁バリアがあり、規格では「次に高いインパルス電圧に対応する値」を使用することが求められています。つまり、強化絶縁コンバータでは、OVC II/OVC III の設置にそれぞれ 5.5mm/8.0mm のクリアランスが必要となります。

IEC 60664-1 と IEC 61558-1 では、50/60Hz での耐電圧試験電圧も規定されており、これはインパルス試験の値と同程度の高さになります。例えば、IEC 61558-1 では、使用電圧が 300Vrms で OVC III/強化絶縁の場合、4200Vrms = 5938Vpk の耐電圧試験を要求していますが、高度は指定していません（IEC 61558-1 規格の表 14）。これは、IEC 60664-1のインパルス試験値（高度2000mで6kV）と同様です。しかし、一方の試験は60秒間の絶縁耐力であり、もう一方の試験は短時間の過渡的なインパルス電圧です。

電力コンバータに適用される最も適切な安全規格は、実際の用途によって異なります。OVC III 環境で使用される製品は、多くの場合、「トランス、リアクタ、電源ユニットおよびその組み合わせの安全性」に関する IEC 61558-1 規格でカバーするのが最適です。この規格では、添付 R が IEC 60664-1 のインパルス試験電圧のレベルを参照しています。幸いなことに、IEC 61558-1 の安全クリアランス要件は IEC 60664-1 と同じで、2000m 以上の高度補正係数も同じです。

また、OVC IIIエリア向けの製品には、「パワーエレクトロニクス・コンバータシステムおよび機器の安全要求事項」に関するIEC 62477-1規格を適用することもできます。この規格は、IEC 60664-1 のインパルス値、沿面/クリアランス、誘電体試験電圧、高度補正係数も参照しています。

OVC III エリアで使用される試験・計測機器には、「計測・制御・実験用電気機器の安全要件」に関する規格 IEC 61010-1 が最も適しています。この規格は300Vac の強化絶縁について、IEC 60664-1 規格の 8mm に対し、IEC 61010-1 規格の表 K.3 で 6mm のクリアランス距離を規定しています。高度の補正係数も同じです。しかし、IEC 規格 61010-1 の他の試験要件は、やや厳しいものになっています。たとえば、強化固体絶縁材の 300Vrms OVC III 環境でのインパルス電圧試験は、IEC 60664-1 規格では 6000V と規定されているのに対し、6400V となっています（IEC 61010-1 規格の表 K.6）。

汎用安全規格IEC/EN/UL 62368-1の「オーディオ/ビデオ、情報および通信技術機器の安全要件」では、OVC IIIおよびOVC IV環境の要件についてIEC 60664-1規格を参照しています。しかし、旧規格である IEC 60950-1 では、300Vrms/OVC III 領域のクリアランスを IEC 規格 61010-1 と同じ 6mm としていましたが（IEC 60950-1 規格の表 2H）、代替規格である IEC 62368-1 では IEC 60664-1 に合わせて、クリアランスの要件を 8mm に引き上げています。

医学的に承認されたAC/DCは、OVC IIIの要件を満足

電源には、RECOMのボードマウント型RAC05-K/480コンバータ（図3）のようにOVC III定格のものがあります。入力電圧範囲はAC85-528Vで、単相電源や三相AC400/480Vのライン・ツー・ラインまたはライン・ツー・ニュートラル接続に適しています。5Wの出力電力と4kVacの強化絶縁を特徴とするこのシリーズは、クラスII電源（無アース接続）であり、外付け部品なしで産業用安全規格およびEMC要件を満たしています。

RAC05-K/480シリーズは、5V、12V、15VのDC出力を備えており、スマートメーター、再生可能エネルギー、IoTアプリケーションなど、過酷な産業用OVC III環境で使われる機器に最適です。

OVC IIIアプリケーションのもう一つの可能性は、医療安全定格を持つ部品を使用することです。AC240Vシステムで2×Measure of Patient Protection（MoPP）の要件を満たす電源は、OVC IIIの絶縁耐力と沿面/クリアランスの要件、すなわちそれぞれ4kVrmsと8mmも満たしています。

しかし、医療用電源は通常、50/60Hzの4kVrms絶縁耐力試験には耐えても、IEC 61000-4-4規格のレベル3、ピーク+/-2kVに準拠して、OVC IIレベルの高速トランジェントイミュニティの要件を満たすだけです。一方、OVC IIIレベルのトランジェント耐性を高めるためには、外部のサージサプレッサーが必要です。一般的には、金属酸化物バリスタを電源全体に設置し、適切な定格の上流ヒューズまたは電流制限装置を使用して、回路がショートした場合に必要な保護を提供します。

RECOMのAC/DC医療用定格電源には、RACM40-K、RACM60-K、RACM230-G、RACM550-Gの各シリーズがあり、これらには基板実装とシャーシ実装のオプションがあります（図4）。

医療用電源装置は、「挿し込み可能な」アプリケーションで使用される可能性がある場合、AC電源入力に二重のヒューズを組み込むことが要求されます。産業用、オフィス用、家庭用の他の規格では、特にこれを認めていない場合が多くあります。

したがって、OVC III要件への適合性を考慮して医療用電源を選択する一方で、産業機械制御などの他の用途での使用も意図している場合には、ラインヒューズが常に最初に溶断するように、ニュートラルヒューズをより高い値のものに交換する必要があるかもしれません。恒久的な配線を目的とした医療用認定電源は、いずれにしても単一の活線ヒューズしか備えていない可能性があります。

また、医療用途以外の固定設置型OVC III環境での使用を想定したカスタム製品もご要求により提供します。

OVC III環境の電源で容易に解決できるソリューション

以前は、OVC III環境での設置に適した費用対効果の高いAC/DC電源を見つけるのは困難だったかもしれませんが、現在ではRECOMなどのメーカーから入手できるようになっています。また、メーカーのテクニカルサポートチームに相談してみると、医療認証を取得している製品であっても、それほど厳しくない産業グレードの安全要件にすでに適合しているため、簡単な変更でOVC IIIの要件を満たすことができる場合があります。