絶縁の重要性（動作電圧 vs. 試験電圧）

医療、通信、産業、その他を問わず、あらゆる用途の電源を選択する際、エンジニアは幅広い要素を考慮する必要があります。最優先事項は、その電源が必要なACおよび/またはDC入力電圧範囲を処理し、必要な出力電力を供給できることを確認することです。その他の考慮すべき重要事項には、効率、熱管理、サイズ、規制適合性、電磁両立性（EMC）、および環境耐性が含まれます。

見落とされがちな側面の一つが適切な絶縁です。適切な絶縁特性を持つ電源を選択することは、長期的なシステムの信頼性、安全性、および規格適合性にとって極めて重要です。産業、 医療、およびオートメーションアプリケーションなどのミッションクリティカルおよび安全クリティカルな設備では、試験電圧と動作電圧の違いを理解することが、十分な情報に基づいた設計判断に不可欠です。

電源において、絶縁バリアは商用電源に接続された入力（一次側）と負荷に電力を供給する出力（二次側）の間の意図的な電気的分離です。このバリアは、両側間の直接的な電流の流れを防ぎつつ、電力とデータの安全かつ効果的な伝送を可能にします。この絶縁は通常、電力伝送のためのトランスによって実現され、制御信号のフィードバックにはオプトカプラやデジタルアイソレータが補完的に使用されます。

絶縁バリア間の「動作電圧」（「連続電圧」とも呼ばれる）という用語は、通常動作中に二つの絶縁領域間で継続的に存在できる最大電圧差を指します。この値は、電源の絶縁要件と安全定格を決定する上で極めて重要であり、入力電圧だけでなく、システム構成に依存します。

「絶縁耐電圧」（「試験電圧」とも呼ばれる）という用語は、絶縁材料（「誘電体」）が破壊することなく耐えられる最大電圧を指します。言い換えれば、これは材料が安全性を損なうような電流を流さずに絶縁を維持できる閾値です。「絶縁耐電圧試験」（「高電位試験」または「ハイポット試験」とも呼ばれる）はこの概念に基づいています。この試験では、（通常は動作電圧をはるかに超える）高電圧が絶縁バリア間に印加されます。その目的は、絶縁が破壊や過度の漏れなく維持されることを確認し、過渡状態や故障状態でも製品が安全で耐久性があることを実証することです。

絶縁耐電圧試験中、高電圧は特定の時間（多くの場合1秒または60秒）にわたって印加され、漏れや破壊がないことを確認します。1秒間の試験は、部品の劣化防止のため製造工程で一般的に使用されます。一方、60秒間の試験はより厳格で、型式承認や認証に用いられることが多くあります。異なる規格では、絶縁の完全性を検証するために、動作電圧のさまざまな倍率、試験時間、さらには試験波形までもが定義されています。

電源の安全性と信頼性のためには、電源の電気的特性と物理的設計への注意が必要です。規格では、以下の要件が規定されています：

• 動作電圧（バリア間の連続電圧）
• 絶縁耐電圧（短時間高電圧試験）
• 絶縁タイプ（基本、補助、強化、または二重）
• 空間距離
• 沿面距離
• 汚染度
• 過電圧カテゴリ（OVC）
• 高度
• AC vs. DC入力（AC設計では、ピーク電圧と過渡現象がより厳しく、より堅牢な絶縁と間隔が必要）

空間距離は、2つの導電部品間の空気を通る最短距離であり、空間距離は「フラッシュオーバー」（空気中のアーク放電）を防止します。対照的に、沿面距離は2つの導電部品間の表面に沿った最短経路であり、「トラッキング」（絶縁材料の表面に沿って流れる電流）を防ぐことを目的としています。必要な距離はいくつかの要因に依存します：

• 動作電圧
• 過電圧カテゴリー
• 汚染度
• 材料グループ（絶縁のトラッキング耐性）
• 高度

過電圧カテゴリー（OVC）は、電源が動作することを意図した主電源の階層を表します。より高いカテゴリーはより大きな過渡電圧ピークに対応し、安全性を維持するためにはより大きな距離とより高い試験電圧が必要となります。以下はこのカテゴリーの概要です：

• CAT I: 保護された電子回路（バッテリー駆動、限定エネルギーの二次回路）
• CAT II: ローカル機器（家庭用、携帯工具）
• CAT III: 建物の設備（配電盤、固定配線）
• CAT IV: 設備の起点（サービスドロップ、一次配電）

汚染度（PD）は、通常の動作中に電源の絶縁体に蓄積する可能性のある導電性汚染物質の量を表します。汚染度が高くなると、安全な絶縁を維持するためにより大きな沿面距離が必要となります。以下はこれらのカテゴリーの概要です：

• PD 1 (0.1x)：清潔、乾燥（例：密閉された電子機器、宇宙）
• PD 2 (1.0x)：通常は非導電性、時折の結露（一般的な室内）
• PD 3 (1.5x)：導電性汚染または湿度（例：キッチン、工場）
• PD 4 (2.5x)：持続的な導電性汚染（塩害の多い屋外、化学プラント）

各汚染度には、動作電圧の1kVあたりの基本沿面距離に適用される倍率が設定されています。例えば、基本沿面距離が2mm/kVで、電源がPD 4環境向けの場合、要件は2mm × 2.5 = 5mm/kVの動作電圧となります。さらに、高度の影響も考慮する必要があります。高度が上がると空気密度が下がり、絶縁耐性が低下してアーク放電のリスクが高まります。IEC 60664-1などの規格では、2000mを超える高度の場合、距離に減算係数が適用されます。例えば、5000mでは、必要な距離が海抜と比較して50%以上増加させる必要がある場合があります。

昔からあるエンジニアリングのジョークに「規格は素晴らしい…誰もが一つ持つべきだ」というものがあります。問題は、実際に多くの組織が独自の規格を持っていることです。電源絶縁の場合、それぞれが異なる要件を持つ多くの規格が存在します。電源の絶縁と安全性に関する一般的な規格には以下のようなものがあります：

• IEC 60950-1：ITおよび通信機器（現在はIEC 62368-1に置き換えられています）
• IEC 62368-1：オーディオ/ビデオ、ITおよび通信（IEC 60950-1の現代的な代替）
• IEC 60601-1：医療機器（患者/ユーザー保護を含む）
• IEC 61010-1：実験室および産業用（試験および測定機器に焦点）
• IEC 60204-1：産業機械システム（しばしばIEC 61010と組み合わせて使用）
• IEC 62109-1/-2：太陽光インバータおよびPV（高電圧太陽光機器用）

この問題は、それぞれ独自の要件を持つさまざまな規制機関や認証機関の存在によってさらに複雑になっています。主要な機関には、UL（Underwriters Laboratories – アメリカ合衆国）、CE（Conformité Européenne – 欧州連合）、CCC（China Compulsory Certificate – 中国）、PSE（Product Safety Electrical Appliance & Material – 日本）などがあります。例えば、CEは特定の電圧レベルでの1秒間の試験を要求する一方、ULは別のレベルでの60秒間の試験を要求することがあります。これにより、メーカーがグローバルな適合性を達成するために対応しなければならない複雑な「要件のパッチワーク」が生じています。

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