故障モード 2：絶縁障壁近傍で高電圧と高電流が同時に作用した場合

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。