電気的絶縁とは何ですか？ガルバニック絶縁の種類、定格、および応用

電気的絶縁、またはガルバニック絶縁は、絶縁バリアを横断して信号または電力が通過することを許しながら、電気回路を分離します。この記事では、絶縁の仕組み、光学的、容量性、磁気、および変圧器ベースの方法、作動電圧、VISO、クリープ、クリアランス、CMTIといった重要な定格、オプトカプラとデジタルアイソレータの違い、一般的な応用、選択要因、およびトラブルシューティングについて説明します。

カタログ

電気的絶縁とは何ですか？

電気的絶縁、別名ガルバニック絶縁は、直接的な導電経路が存在しないように二つの電気回路を分離することです。信号や電力は、光学的、磁気的、容量性、または変圧器ベースのカップリング方法を通じて絶縁バリアを横断することができます。

ガルバニック絶縁はどのように機能しますか？

入力信号はまず条件付けまたはエンコーディングされ、絶縁バリアを通過できるようにされます。情報は、光学的、容量性、または磁気的カップリングを使用して非導電性バリアを通過し、絶縁された側で再構築されます。二つの回路は、GND1 および GND2 などの別々の接地基準を使用します。絶縁側の回路が電力を必要とする場合、信号の絶縁が自動的に使用可能な電力を転送しないため、別の絶縁電源または絶縁DC/DCコンバータが必要です。バリアは定格の範囲内で直接的な導電電流をブロックしますが、バリアを超える寄生容量により、急速な電圧変化中に小さなトランジェント置換電流が許可されることがあります。

図1: 二つの電気回路間のガルバニック絶縁

主な電気的絶縁方法は何ですか？

さまざまな絶縁メカニズムは、電圧能力、速度、電力転送、ノイズ耐性、寿命、信号タイプの異なる組み合わせを提供します。

絶縁方法	それが機能する方法	主な利点	主な制限	一般的な応用
光学的絶縁	LEDが絶縁バリアを越えて光をフォトデテクタに送ります	直接的な導電信号経路がない確立された技術	LEDの劣化、入力電流、CTRまたはしきい値動作を考慮する必要があります	オプトカプラ、フィードバック回路、デジタルインターフェース
容量性信号絶縁	エンコードされた信号が電界カップリングを介してバリアを超えます	高速および低遅延	エンコーディングと十分なCMTIが必要です	デジタルアイソレータ、SPI、UART、PWM
磁気信号絶縁	符号化された信号は、小型トランスフォーマーまたは誘導結合を通じてバリアを越えます	高速信号転送	EMI、CMTI、およびレイアウトを考慮する必要があります	デジタルアイソレータ、ゲート制御信号
トランスフォーマーによる電力絶縁	交互の磁束が絶縁された巻線間でエネルギーを転送します	有用な絶縁電力を転送できます	まずDCをACに切り替えるか変換する必要があります	絶縁AC/DCおよびDC/DCコンバータ
電気機械リレー絶縁	コイルまたはアクチュエータが電気的に絶縁された接点を機械的に操作します	ACまたはDC回路を絶縁および切り替えることができます	機械的摩耗、接点バウンス、および遅いスイッチング	産業用制御、負荷切替え、電力回路

絶縁アンプまたは絶縁ADCは、製品タイプであり、別個の絶縁メカニズムではありません。これらのデバイスは、内部的に容量性、磁気、または光学絶縁などの技術を使用しています。

電気的絶縁定格：動作電圧、VISO、クリープ、クリアランス、およびCMTI

データシートの最高絶縁電圧の数値だけでは、アイソレータが適切かどうかを判断するには不十分です。異なる定格は、連続的、反復的、瞬時、サージ、および短時間の電圧ストレスに適用されます。

仕様	意味	なぜ重要か
動作電圧 (VIOWM)	指定された耐用年数にわたって絶縁バリアを越える最大連続RMSまたはDC電圧	長期的な動作能力を決定します
最大反復ピーク絶縁電圧 (VIORM)	指定された耐用年数にわたって繰り返し出現する最大反復ピーク電圧	反復ピーク電圧ストレスに重要
最大瞬時絶縁電圧 (VIOTM)	指定された一時的な期間において、バリアが耐えられる最大ピーク瞬時電圧	一時的な過電圧条件に使用
絶縁耐圧 (VISO)	指定された短期間の絶縁テスト中にバリアが耐えられるRMS電圧	短時間の絶縁耐圧能力を確認します
サージ絶縁電圧 (VIOSM)	バリアが耐えられる最大標準的なサージインパルス	高エネルギーサージ条件に重要
クリープ	絶縁された導電部品間の絶縁表面に沿った最短距離	表面追跡を防ぐのに役立ちます
クリアランス	絶縁された導電部品間の空気中の最短距離	アークまたは空気のブレイクダウンを防ぐのに役立ちます
CMTI	コモンモード過渡耐性	アイソレータが急速なコモンモード電圧の変化の間も正しく動作し続けるかどうかを示します
データレート	最大サポートされる信号転送レート	通信または制御信号をサポートする必要があります
伝播遅延	信号がアイソレータを越えるのに必要な時間	PWM、SPI、フィードバックループ、およびタイミングに敏感な回路にとって重要

VISOは、予想される動作過渡の設計定格として使用するべきではありません。連続運転のためにVIOWMを確認し、反復的、過渡的、サージストレスの適切なVIORM、VIOTM、VIOSM、およびシステムレベルの絶縁要件を確認してください。

機能的、基本的、補助的、二重、強化絶縁

絶縁レベル	主な目的
機能的絶縁	主に機器の正常な動作のために必要な絶縁
基本的絶縁	電気ショックに対する基本的な保護を提供
補助的絶縁	基本的絶縁が失敗した場合に保護を維持するために、基本的絶縁に追加される独立した絶縁
二重絶縁	基本的絶縁と補助的絶縁を組み合わせる
強化絶縁	二重絶縁に匹敵する保護を提供する1つの絶縁システム

補助的絶縁は基本的絶縁に独立して追加されます。基本と補助的絶縁を組み合わせることで二重絶縁が形成され、一方強化絶縁は1つの絶縁システムを通じて同等の保護を提供します。

必要なクリープおよびクリアランスは普遍的な値ではありません。それは動作電圧、絶縁レベル、過渡環境、汚染度、高度、材料特性、および適用される安全基準に依存します。IEC 60664-1:2020+A1:2025は絶縁コーディネーション要件を提供し、高度2,000 mまで直接適用され、高度が高い場合のガイダンスを提供します。

オプトカプラとデジタルアイソレータ：違いは何ですか？

図2：光学的、静電容量、および磁気信号の絶縁

オプトカプラとデジタルアイソレータはどちらもガルバニック絶縁を提供しますが、異なる信号伝達技術を使用しています。

比較要因	オプトカプラ	デジタルアイソレータ
カップリング方式	LEDおよびフォトディテクタ	一般的に静電容量または磁気
入力ドライブ	通常はLED電流を必要とします	一般的に論理電圧入力
データレート	製品依存	高速デジタル信号に非常に適しています
伝播遅延	相対的に高く、デバイスに依存することがあります	より低く、より厳密に制御されることが多い
CMTI	デバイスタイプに強く依存します	高CMTIバージョンが広く利用可能です
経年劣化	LED出力およびCTRは時間とともに変化することがあります	LEDの光出力劣化はありません
CTR	トランジスタ出力オプトカプラにとって重要です	通常はデジタルアイソレータの伝達仕様としては使用されません
チャネル密度	比較可能な高速システムでは通常は低い	複数の絶縁チャネルを1つのICに統合できます
アナログ伝送	一部のオプトカプラはアナログフィードバックをサポートします	標準デジタルアイソレータはデジタル情報を伝送します
最適な適合	既存のオプトカプラインターフェース、簡単な絶縁、アナログフィードバック設計	高速デジタルインターフェース、PWM、SPI、UART、モーター制御

デジタルアイソレータはすべてのオプトカプラの適切な交換品ではありません。 入出力動作、フェイルセーフ状態、供給要件、絶縁認証、パッケージ間隔、論理レベル、データレート、およびシステム安全要件は、依然として一致する必要があります。

性能はデバイスタイプに依存します。Broadcom HCPL-7720は25 MBdをサポートし、TI ISO6441は最大150 Mbpsおよび最小±200 kV/µsのCMTIをサポートします。

一般的な電気絶縁の応用と設計チェック

電気絶縁は、回路が異なる電位で動作する場所や、電気ドメイン間の不要な電流が安全性、ノイズ、または信頼性の問題を引き起こす可能性がある場所で使用されます。

アプリケーション	絶縁が使用される理由	主な設計チェック
モータードライブ	コントローラを高電圧スイッチング段から分離します	動作電圧、CMTI、伝播遅延、ゲートドライバ要件
絶縁ゲートドライバ	異なる電位間でMOSFET、IGBT、SiC、またはGaNデバイスを制御します	CMTI、遅延、絶縁定格、ドライブ電流、絶縁供給
産業用通信	グラウンドループおよびグラウンド電位の問題を防ぎます	データレート、インターフェースタイプ、チャネル方向、CMTI
電流センシング	高サイドまたは高電圧回路でシャント電圧を測定します	入力範囲、精度、動作電圧、帯域幅
電圧センシング	制御エレクトロニクスを絶縁しながら高電圧を測定します	分圧器設計、精度、動作電圧、絶縁レベル
絶縁ADCシステム	浮遊または高電圧ドメインで信号をデジタル化します	ADC精度、データ絶縁、クロック絶縁、絶縁電源
電源	プライマリとセカンダリの電力ドメインを分離します	トランス絶縁、動作電圧、クリーぺージ、クリアランス
自動車およびEVシステム	高電圧バッテリーまたは牽引回路を低電圧エレクトロニクスから分離します	動作電圧、サージ、温度、絶縁レベル
医療機器	患者/オペレータ保護が必要な場合に電気ドメインを分離します	適用される医療安全要件、漏れ、クリーぺージ、クリアランス

モータードライブなどの高速スイッチングアプリケーションは、CMTIに特に注意を要します。迅速な共通モード電圧の変化は、絶縁チャネルの免疫が不十分であるときに乱すことがあります。

適切な絶縁方法の選び方

絶縁に関する実際の理由とバリアの両側の電気的条件に応じて絶縁方法を選択します。

選択要因	チェックすべきこと	選択ガイド
目的	安全保護、グラウンドループの除去、ノイズの絶縁、またはレベルシフト	機能的、基本、または強化された絶縁が必要かどうかを判断します
信号の種類	アナログ、デジタル、PWM、通信、または電力	実際の信号に設計されたアイソレータを選択します
動作電圧	バリアにおける連続電圧	証明された動作電圧範囲内に留める必要があります
瞬間電圧およびサージ電圧	予想される短時間の過電圧	瞬時過電圧、VISO、サージ評価を確認する
データレート	必要な通信速度	十分なデータレートのマージンを選択する
CMTI	予想されるコモンモードdV/dt	高速パワーステージは通常、高いCMTIを要求します
伝播遅延	許容される最大信号遅延	制御ループ、PWM、および同期インターフェースにとって重要
チャンネル数と方向	順方向および逆方向信号の数	SPI、UART、GPIO、または制御要件に合わせる
絶縁された電源	絶縁側が独自の電源を必要とするかどうか	絶縁されたDC/DC変換器または統合された絶縁電源ソリューションを追加する
クリーぺージおよびクリアランス	必要なPCBおよびパッケージ間隔	適用される絶縁要件に対して検証する
温度	最小および最大動作温度	温度に対するすべての絶縁およびタイミング仕様を確認する
寿命	動作電圧における必要なサービス寿命	短期間のVISOだけでなく、長期的なバリア能力を確認する
認証	適用される製品およびシステム標準	正確な部品およびパッケージの認証を確認する

デジタルアイソレーターは、通常、高速ロジック信号に適しています。アナログ測定がバリアを横切る必要がある場合は、絶縁アンプまたはADCがより適切です。一方、電力がバリアを横切る必要がある場合は、変圧器または絶縁されたDC/DC変換器が必要です。

アイソレーション選択例

低電圧コントローラーと600 VDCモーター駆動インバータ間のデジタル制御リンクを考えます。

選択要件	例の要件
アプリケーション	低電圧コントローラーから高電圧インバータドメインへのデジタル制御信号の横断
動作電圧	600 VDC
絶縁レベル	強化絶縁
適用される標準	絶縁協調のためのIEC 60664-1:2020+A1:2025、および適用されるモーター駆動製品標準
汚染度	汚染度 2
高度	≤2,000 m
データレート	少なくとも20 Mbps
必要なCMTI	少なくとも±100 kV/µs
絶縁された電源	絶縁された側の回路に必要; 電力が既に利用できない場合は、別の絶縁DC/DC電源を使用します
パッケージ間隔	クリーぺージおよびクリアランスは、600 VDC、強化絶縁、汚染度2、≤2,000 m高度、及び適用される標準によって要求される他の条件のために決定された値を満たす必要があります

これらの要件に対して、高CMTI強化デジタルアイソレーターが適切な出発点です。たとえば、TIは、最大150 Mbps、1061 VRMSの動作電圧、および±200 kV/µsの最小CMTIを持つISO6441を現在の選定ガイドにリストしています。ISO6441は絶縁電源を統合していないため、絶縁側に既存の電源がない場合は、別の絶縁電源が必要です。

動作電圧のみからパッケージのクリーぺージまたはクリアランスを選択しないでください。IEC 60664-1は、汚染度、高度、絶縁要件、および他の絶縁協調要因などの条件を定義することも要求します。

一般的なアイソレーションの問題とトラブルシューティング

高電圧アイソレーション回路には危険な電圧が含まれる可能性があります。検査や抵抗測定の前に危険な電力を切断し、放電してください。生のテストは、適切に定格された機器と手順を使用して必要な場合にのみ実施するべきです。

問題または症状	可能性のある原因	推奨チェック
出力信号なし	一方の側に電源がない、ピン配置が間違っている、アイソレーターが故障している	両側の電源を測定し、入力/出力ピンを確認する
出力が高い状態または低い状態で停止している	入力状態が不正、低電圧、デフォルト出力動作	データシートのフェイルセーフ/デフォルト状態および電源電圧を確認する
コミュニケーションエラー	データレート、伝播遅延、タイミング、または信号整合性の問題	インターフェースのタイミングとアイソレーターのデータレート評価を確認する
モーター駆動でのランダムなスイッチング	不十分なCMTIまたは不適切なレイアウト	スイッチングノードのdV/dtをアイソレーターのCMTIと比較する
グラウンドループの問題が残っている	別のアース接続がバリアを橋渡ししている	シールド、USB接続、試験機器、シャーシ経路、およびケーブルアースを確認する
絶縁側に電力がない	絶縁電源が欠損または過負荷になっている	分離されたDC/DC出力と負荷電流を測定します
SPIまたはPWMタイミングが失敗します	伝播遅延またはスキューが高すぎます	タイミングバジェットにアイソレータ遅延を含めます
デバイスが過熱します	過剰な供給電圧、負荷、スイッチングレート、または悪い熱設計	供給、出力負荷、データレート、および温度を確認します
絶縁テストに失敗しました	汚染、不十分なスペーシング、損傷したPCBまたは絶縁	クリーページ、クリアランス、パッケージ、スロット、PCB表面を検査します
高電圧測定が不正確です	絶縁チャネルエラー、雑音の多い絶縁供給、悪い基準またはレイアウト	測定チェーン、基準、フィルタリング、絶縁電源を確認します
システムは高いスイッチング速度でのみ失敗します	共通モード過渡またはEMIカップリング	CMTI、PCBレイアウト、リターンパス、およびスイッチングエッジを確認します
オプトカプラが時間の経過とともに信頼性を失います	LEDの劣化またはCTRマージンが不十分です	指定されたCTR範囲に対して入力電流と出力動作を測定します

絶縁問題をトラブルシューティングする際は、まずバリアの両側を別々に確認します: 電源、グラウンドリファレンス、入力信号、および出力信号。次に、作業電圧、タイミング、CMTI、クリーページ、クリアランス、および絶縁境界を越える意図しない導電経路を確認します。

結論

絶縁目的を最初に定義し、次に作業電圧、適用基準、過渡およびサージ環境、信号または電力の種類、タイミング要件、CMTI、クリーページおよびクリアランス条件、必要な寿命を確認することで電気的絶縁を選択します。最終的な絶縁技術、デバイス、パッケージ、絶縁電源の配置は、VISOや他の単一のデータシート評価から選択されるのではなく、全てのこれらの要件を満たす必要があります。