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静電気放電(ESD)試験における絶縁・EMC評価技術と

放射電磁波による診断技術

九州工業大学 大学院工学研究院

電気電子工学研究系 電気エネルギー部門

准教授　大塚 信也　

九州工業大学 新技術説明会

2013.12.20

Ohtsuka Lab @ KIT

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技術の概要

•  電気、電子装置やシステムの 　 『高信頼性化、安定運用、安心・安全』 ☞　電気絶縁 / EMC （高電圧、放電、高周波現象）

•  静電気放電(ESD)試験： 　電気絶縁異常の発生電圧？発生場所？そのエミッション？ 　新素材/新規素子のESD耐性？ •  放電放射電磁波検出による診断： 　電気絶縁異常の発生条件（メカニズム）？、発生状態？、発生位置？放電電荷量やエネルギー？劣化状況？余寿命？

電磁ノイズ、コロナ抑制、エネルギー評価、解析技術

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大塚研究室紹介

　研究室テーマ： 　「電気エネルギー機器の環境調和と高度化・新機能創出」 　→電気工学的アプローチによる安心安全な社会構築

•  放電現象の電気・光学的先端計測技術の開発と物理メカニズムに基づく絶縁診断技術の提案、開発:

　電気エネルギー（電力）機器の絶縁診断や異常診断に関する技術開発 　　 直流システムの放電現象と複合センサによる診断 •  電磁波放射源の可視化装置開発 •  次世代航空機(CFRP)の耐雷技術開発 •  プリント基板のESD対策技術 •  新しい動作原理に基づく自己回復性ヒューズの開発と応用 •  電磁シールド効果の評価、透明シールドボックス、コロナフリー設計技術の開発 •  電界解析や光・電磁波伝搬解析(FDTD)、電磁過渡現象解析(EMTP)などの解析技術

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発表内容

• ２つの新技術: 【1】ESDガンを用いた静電気放電(ESD)試験で、プリン基板回路などで放電が発生したタイミング（瞬時電圧）とその位置、そのエミッション(放射電磁波)強度を明らかにする方法と装置

【2】電力機器や電気、電子機器などの電気絶縁異常（放電発生）の診断技術に関して、検出電磁波が直達波であるかどうか（センサに直接到達したものかどうか）を識別する方法と装置

に関するもの

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新技術のポイント1 　静電気放電(ESD)試験での、試験対象物での放電（絶縁破壊）発生のタイミングや位置が評価できるようになった。 『これまでは、試験対象物で放電が発生したかを評価、表示できる装置はなかった。』 ＊放電発生の有無は、目視などで行われていた。 ＊気中放電試験でESD試験機が放電したかを表示する機能を有する試験装置はある。 ☞　試験結果の理解度向上/対策技術開発の効率化＝放電現象の理解や放電発生の瞬時電圧の推定が可能。試験機と放電のエミッションを評価できる。

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技術背景1 •  プリント基板回路の配線間ギャップのESD耐性：

g

Paschen曲線

ギャップ間距離g、電極先端形状、印加ESD極性などを変化

Toeplerの式 (Kb=6.97)

推定曲線 K√g (K=4.60)

絶縁破壊電圧VFOはESDガンの 充電電圧で評価 ☞ 破壊の瞬時電圧は？ 　　破壊発生のタイミングは？

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発生タイミングの評価方法

基本回路： ＊ESDガン駆動時と絶縁破壊（フラッシオーバFO）発生時の2つの放射電磁波の測定

＊FO発生の発光計測

電気長を考慮した測定： ＊ターゲットによる電流計測と放射電磁波EMW(1)の同期計測

＊PMTによる発光計測と放射電磁波EMW(2)の同期計測

Antenna

ESD-gun

Test board

FO

EMW (1)

EMW (2)

Obs

erve

d vo

ltage

at

hor

n an

tenn

a

Time

EMW (2)

Current by target

optical signal EMW (1)

PMT

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基本装置構成 ESD

tester ESD-gun

HV electrode Earth electrode

g(mm) Test board

FR-4 50Ω coaxial cable (SMA)

Horn antenna 0.75 - 5GHz

Optical fiber

Shielding box

PMT Digital

Oscilloscope 50Ω coaxial cable

-20d

B

Attenuator

VANT

VPMT

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ESD試験時の発生電磁波の測定結果

g = 1.0 mm, Vc = 8.0 kV

ESD gun FO

ΔT

Digital oscilloscope

ESDガン駆動時と絶縁破壊FO発生時の2つの放射電磁波検出

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10 Ohtsuka Lab @ KIT

g = 1.0 mm Positive

a) Vc = 8.0 kV

ref.) discharge current through 50Ω

b) Vc = 7.0 kV

FO

FO

c) Vc = 4.0 kV

no FO

Conditions

Discharge current for 50Ω target

ESDガンとFOの放射電磁波

FO TFO ＊FO発生の有無 ＊FO発生のタイミングTFO ☞ FO発生時の瞬時電圧 ＊FOとESDガンのエミッション などが評価できる

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FO発生タイミングTFOの印加電圧および 試験基板ギャップ長g依存性

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Dis

char

ge c

urre

nt fo

r 50Ω

targ

et

Vc

= 2.

0 kV

Charging voltage, Vc(kV)

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新技術のポイント2 　検出電磁波信号が、直接センサに到達した（直達波）か回折・散乱波かの識別ができるようになった。 　『これまでは、このような検出波形を区別するという発想（要求）がなく、評価、表示できる装置もなかった。』 ＊散乱物がない環境での測定や実験 ＊影響を考慮していなかった＝診断精度の高度化の要求から顕在化 ☞　検出電磁波の波形情報に基づく診断（位置標定や放電電荷量、エネルギーなど）の精度評価や精度向上に貢献。

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13 10m

10m

7 1

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　従来技術2 •  放電放射電磁波検出（UHF法）による診断技術： ＊放電発生位置の評価（位置標定） ＊放電発生源の同定や放電状態の評価 ＊放電電荷量（エネルギー）の評価 　など

40発の信号を測定

気中コロナ発生箇所の可視化結果例

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検出波形情報が重要

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直達波と回折・散乱波の識別

放射源 アンテナ

構造体 （遮蔽物）

？ 放射源 アンテナ

構造体背面からの放射： 波形検出の可否？、強度低下・形状の変歪？＝判定精度へ影響

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識別可？

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直達波と回折・散乱波の識別方法

•  振幅値のヒストグラムによる分布　☞　『尖度K』 確率密度関数

µ：平均 σ2：分散

σ=0.3 σ=1

σ2

€

K = (Xi - µ)4 /(Nσ 4 )i=1

N

∑

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実変電所での模擬放射源を用いた 実験配置の一例（正面方向）

SLB SRB

SLT ×：visible source ×：invisible source

220kV GIS設備

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波形検出結果の一例

Vpp

Invisible sourceからの検出は可能 / 波形の強度低下・振幅持続

visible source

visible source

visible source

visible source

invisible source

invisible source

invisible source

invisible source

振幅値 拡大

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尖度Kによる識別結果

P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P1-1 P1-2 P1-3 P2-1 P2-2

220kV GIS設備

66kV GIS設備

Direct wave

Diffraction wave

他の実変電所設備を用いた模擬実験でも識別できた Ohtsuka Lab @ KIT

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放射源位置標定の結果例

Invisible sourceでは正しく標定できない！ 正しく評価されなかった場合の理由提示が尖度Kで可能

7 28

1.4m

1.4m

7

3

3

5

1

2

7

1.4m

1.4m Source(機器背面)

Visible source (P1) Invisible source (P6)

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想定される用途

•  静電気放電試験装置の製造・開発企業ならびに同装置を使用して電子部品や電子機器を生産、開発、検査等をする企業の関連業務

☞ 試験機への機能付加

　 メーカ毎の試験機の性能比較評価にも適用可

•  ESDのような急峻な電圧(電流)波形印加時の放電現象の理解と解明のための研究開発用途

☞新たな回路基板材料や絶縁材料の性能評価にも適用可

•  放射電磁波に基づく電力、電気機器の診断装置開発用途

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企業への期待

•  静電気放電試験機の製造開発メーカあるいは計測機器メーカとの本提案技術を用いた診断、計測装置の共同開発

•  本提案技術の適用や応用の提案など、これらに関する共同研究

•  放電観測あるいは電気絶縁検出・観測でお困りのことがあればご相談下さい 　（光学測定以外に、電磁波・音波・電流など各種経験や技術を有しております）。

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本技術に関する知的財産権

•  発明の名称 ：電磁波識別方法および識別装置 •  出願番号 ：特願2012-194809 •  出願人 ：九州工業大学 •  発明者 ：大塚信也、埋金寿壮、芝田拓樹、西村寿紘

•  発明の名称 ：放電発生状況評価装置及び評価方法 •  出願番号 ：特願2013-090307 •  出願人 ：九州工業大学 •  発明者 ：大塚信也、坪井浩太郎、岩井将

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お問い合わせ先

国立大学法人九州工業大学大学

産学連携推進センター知的財産部門

ＴＥＬ 093-884-3499

ＦＡＸ 093-884-3531

e-mail chizai@jimu.kyutech.ac.jp

国立大学法人 九州工業大学 　産学連携推進センター 　知的財産部門　客員教授　安東 静　 E-mail: ando@ccr.kyutech.ac.jp

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