高電圧コネクタ設計: コネクタの種類と設計上の問題

このようなアプリケーション向けに設計されたコネクタは、特定の安全要件を満たす必要があり、特別な設計上の課題が伴います。

高電圧とは何ですか?

高電圧の数値的な定義は状況によって異なります。電圧を「高電圧」として分類する際に考慮される2つの要素は、空気中で火花が発生する可能性と、接触または近接による感電の危険性です。定義は、システムの2つの導体間の電圧、または任意の導体と接地間の電圧を指す場合があります。

最低でも、乾燥した傷のない人間の皮膚に50 Vを超える電圧を印加すると、胸部を通過する体組織に電流が発生し、心臓細動を引き起こす可能性があります。一方、電力伝送工学では、高電圧は通常、約35,000 Vを超える電圧と見なされます。

表1は、低電圧と高電圧のIEC定義とそれらの定義リスクを示しています。

IEC電圧範囲	交流	直流	リスクの定義
高電圧	1000Vrms以上	1500V以上	電気アーク
低電圧	50～1000Vrms	120～1000V	感電
超低電圧	50Vrms	120V未満	低リスク

表1: IEC電圧の定義 (出典: Wikipedia)

高電圧回路設計: 問題点と考慮事項

高電圧は、すべての接続システム コンポーネントに大きなストレスを与えます。たとえば、12 Vでは完全に適切な絶縁体でも、12 kVでは急速に劣化したり、完全に機能しなくなる可能性があります。一般に、電圧が上昇すると、高電圧導体の周囲にコロナが形成され、続いて誘電破壊が発生し、アーク放電や壊滅的な故障につながります。

コロナ放電

コロナ放電は、電荷を帯びた導体の周囲の空気のイオン化によって引き起こされる放電です。コロナは、導体の周囲の電界の強度 (電位勾配) が導電領域を形成するのに十分高いが、近くの物体に電気的な破壊やアーク放電を引き起こすほど高くない場合に発生します。これは300 Vという低い電圧でも発生する可能性があります。また、コネクタ内部の誘電体またはインターフェース内の空隙内の空気のイオン化によってもコロナが発生することがあります。

コロナは低エネルギーのプロセスですが、長期間にわたって継続すると絶縁体が大幅に劣化し、誘電破壊によりシステムが故障する可能性があります。

コネクタ設計でコロナ効果を最小限に抑えるには、電圧差が大きい導体間の距離を最大限に広げ、半径の大きい導体を使用し、鋭い先端や鋭いエッジのある設計を避け、空隙のない誘電体を使用することが重要です。

電気回路のアーク放電と絶縁破壊

電気アーク、またはアーク放電は、空気などの通常は非導電性の媒体を流れる電流によって生じる、継続的なプラズマ放電を生成するガスの電気的破壊です。STPでは、空気は約3 kV/mmで破壊します。 

誘電体などの固体媒体の場合、電圧ストレスが導体と接地間の誘電体を通してアークを引き起こすほど大きいときに、絶縁破壊が発生します。この故障は壊滅的です。なぜなら、誘電体を流れる電流によって炭素で満たされた空隙が残り、誘電体が必要な電圧に耐えられなくなるからです。

高電圧安全基準

これらの影響は、コネクタを含む高電圧機器では深刻な、場合によっては致命的な結果をもたらす可能性があるため、アプリケーションに応じて多数の安全基準が策定されています。

 

安全基準	応用
IEC/EN-61558-2-17	電源トランス、電源ユニット、スイッチング電源
IEC/EN-60950	IT Equipment
IEC/EN-60601-1	医療用電気機器
IEC/EN-60079	爆発性ガス雰囲気用電気機器
IEC/EN-60335	家庭用電気製品および類似の電気製品
IEC/EN-60065	オーディオ、ビデオおよび類似の電子機器

表2: 一般的な安全基準 (出典: Feryster)

自動車などの他の分野では、SAEなどの組織によって確立された独自の標準セットがあります。

高電圧クリアランスと高電圧沿面距離

高電圧機器の故障リスクを最小限に抑え、十分な安全マージンを確保するため、高電圧を伝送する導体は一定の最小距離（分離）を維持する必要があります。これらの距離はクリアランスと沿面距離と呼ばれ、アプリケーションによって異なり、適切な安全規格で指定されています。

 

図1: クリアランスと沿面距離。(出典: Feryster)

クリアランス距離は、空気を通して測定されたコネクタ ピンなどの2つの導電部品間の最短距離です。適切なクリアランス距離は、空気イオン化によるピン間の絶縁破壊を防ぐのに役立ちます。絶縁破壊レベルは、相対湿度、温度、環境の汚染度によっても影響を受けます。

沿面距離とは、絶縁体の表面に沿って測定された2つの導電部品間 (または導電部品と機器の結合面間) の最短経路です。適切かつ十分な沿面距離は、絶縁表面上またはその近くでの放電の結果として絶縁材料の表面に局所的な劣化の部分的な導電経路を生成するプロセスであるトラッキングから保護します。沿面距離は空間距離と同等かそれ以上です。

比較トラッキング指数 (CTI) は、絶縁材料の電気破壊 (トラッキング) 特性を測定するために使用されます。特定のアプリケーションでは、ULなどの安全機関によって要求される最小沿面距離は、絶縁体のCTI値に依存します。

汚染度

特定の電圧と絶縁材料の場合、空間距離と沿面距離は、環境内に存在する乾燥した汚染物質や結露（汚染度とも呼ばれます）によっても影響を受けます。汚染度の分類は、汚染度1 (非常に低く、クリーン ルーム環境と同等) から汚染度4 (導電性のほこり、雨、雪による持続的な導電性) まであります。汚染度は、クリアランス距離、特に沿面距離が汚染度に応じて劇的に増加するため、接続性に大きな影響を与える可能性があります。

たとえば、Dサブミニチュア (Dsub) コネクタは多くのアプリケーションで一般的に使用されています。多くのベンダーから入手でき、安価です。コネクタ ピンとアース シールド間の距離は約1.6 mmです。この距離は、150 Vでの汚染度1 (0.3 mm) および汚染度2 (1.6 mm) の両方の環境に対するUL沿面安全基準を満たしています。

ただし、300 V動作の場合、汚染度2の沿面距離は3.0 mmに増加するため、コネクタは汚染度1の環境でのみ安全基準を満たします。したがって、レベル2に分類される一般的なテスト環境内では、150 Vを超えるDsubコネクタを使用すると、適用される安全基準を満たさず、安全ではないと見なされます。

高電圧コネクタ設計

HVコネクタの設計者はどのようにしてHVの影響を最小限に抑え、安全性を最大限に高めるのでしょうか?

図2および3は、最大27 kVの動作定格を持つ一般的な高電圧円形コネクタとレセプタクルを示しています。通常、右に示すような深井戸メス レセプタクルはHV側にあります。オスコネクタピンは個別に絶縁されたチャネルに取り付けられています。

 

図2: LGH高電圧円形コネクタ。(出典: TE Connectivity)  

図3に内部構造を示します。2つの半分を合わせると、2つのピンが電気的に接触する前に、オスの絶縁リングがメスを完全に囲むことに注意してください。同じハウジング上の隣接するピン間のアークオーバーを回避するには、ピンをハウジング シェルに挿入した後、後部の空洞を埋めるためにポッティング コンパウンドを追加する必要があります。

 

図3: LGHコネクタの断面。(出典: TE Connectivity)  

絶縁破壊を防ぐために、このようなHVコネクタでは、PTFEなどの高絶縁強度材料が使用されています。PTFEは、テフロンというブランド名でも販売されています®。PTFE樹脂の絶縁強度は非常に高く (ASTM短時間試験で測定した場合、厚さ1.5 mmで23.6 kV/mm)、温度や熱老化によって変化しません。

システムレベルの安全性

電源が入ったままコネクタが外れる可能性がある場合は、安全を確保するために使用できる他の戦略があります。高電圧インターロック (HVIL) 回路を組み込むことは、コネクタの安全性を強化するためのシステムレベルの戦略です。HVIL回路は、コネクタ設計に組み込まれた独立した閉回路であり、最後に嵌合し最初に切断するタイプの接続です。 

HVコネクタが切断され始めると、HVIL回路はその動きを検出し、端子が最終的に切断される前に、端子に存在する高電圧を所定のレベル以下に放電するようにパワー エレクトロニクスに信号を送ります。これは通常、HVILがパワーエレクトロニクス ユニット内の接続切断の開始を検出してから0.5秒以内に発生する必要があります。理想的には、コネクタが完全に分離されているときに端子に高電圧が存在しなくなります。

この戦略は、潜在的に致命的な電圧がかかる自動車の電気自動車用に設計されたHVコネクタで使用されます。

Arrowの高電圧コネクタ

高電圧アプリケーション用のコネクタの指定は専門分野です。ArrowとTE Connectivityは、さまざまな高電圧コネクタと、適切な選択を行うための技術サポートを提供しています。