IEC 61000-4-5｜サージ耐性試験の国際規格と評価法

IEC 61000-4-5

IEC 61000-4-5は、雷サージや開閉サージに対する機器の耐性を評価するための試験法を規定するEMC基本規格である。想定する過渡現象は、送配電系から侵入する大振幅・低周波成分を含む過電圧・過電流であり、試験では1.2/50 μs（開放端電圧）と8/20 μs（短絡電流）の「コンビネーション波（Combination Wave）」を用いる。対象ポートは主にAC/DC電源ポート、通信・制御のI/Oポート、長尺ケーブル接続部などで、直結（線間：differential）および対地（線-大地：common）の両モードで印加して耐性（機能維持・誤動作の有無・破壊の有無）を判定する。

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IEC 61000-4-5

発生要因と物理的特徴

サージは落雷の誘導や系統の開閉動作、変圧器励磁突入などで発生する。ESD（静電気放電）やEFT/Burstに比べ立ち上がりは緩やかだが、エネルギー量が圧倒的に大きく、半導体素子や絶縁を熱的・電気的にストレスする。電源系ではインピーダンスが低いため大電流が流入しやすく、信号系では結合容量や共通インピーダンスを介して誤動作を誘発する。電圧の単位はボルト、電流はAで表し、波形は定義された時定数により再現性が確保される。

試験波形と発生器の要点

コンビネーション波発生器は、開放端で1.2/50 μsの波形を持つ電圧源として動作し、短絡時には8/20 μsの電流波形を与える等価回路で実現される。ソースインピーダンスは電源ポート向けに低く、I/O向けには結合素子（容量・抵抗）を介してエネルギーを制限する。極性は正負両極性で実施し、印加回数は各結合モードで所定回数（代表例：各極性で5回以上）を行う。AC系では代表位相（例：0°/90°）での印加が通例で、最もクリティカルな条件で判定する。

カップリング・デカップリング（CDN）

電源ポートでは、商用電源の供給を維持しつつEUTへサージを重畳するためのCDNを用いる。線間（L-L）結合では差動的ストレス、線-大地（L-PE）結合では共通モードのストレスを再現する。通信・制御ポートでは、規定の結合容量や保護抵抗を持つ結合クランプを介してサージを注入し、ネットワーク機器や人員に波及しないようデカップリング回路で遮断する。

試験レベルと適用ポート

電源ポート（AC/DC）: 代表的にL-Lで0.5–2 kV、L-PEで1–4 kVが採用される。最終レベルは製品規格や使用環境（住宅、産業、屋外）で決まる。
I/O・信号ポート: 結合素子によりエネルギーを制限した条件で0.5–1 kV程度を代表とする。
筐体・シールド: 接地構造により共通モードの伝播が支配的となるため、ケーブル経路と接地点の設計が耐性に直結する。

実施手順の要点

事前確認: EUTの動作モード、監視項目、保護動作（ヒューズ・サージプロテクタ）の復帰条件を定義する。
接続: ケーブル配索、CDN配置、高さ・距離などを規格に従い再現可能に整える。
印加: 極性、結合モード、位相条件、レベル、回数を手順書に従って実施。
判定: 各印加後に機能、通信、データ保持、保安を確認し、必要に応じて長時間動作確認を行う。
記録: レベル、波形校正、EUT状態、異常ログ、復旧手順をレポートに残す。

性能判定基準（Performance Criteria）

一般にA/B/C（必要に応じてD）で表現する。Aは試験中も機能・性能が維持、Bは一時的機能低下は許容するが自動復帰、Cは操作者介入で復帰、Dは損傷・不可逆。どの基準を採用するかは製品規格やリスクアセスメントに依存し、安全関連機能を持つ機器ではB以上の維持が求められることが多い。

設計対策の体系

サージ耐性は「侵入エネルギーの制限」「耐量の確保」「誤動作の抑止」の組み合わせで高める。電源入口ではSPDの多段協調、信号線ではクランプとシリーズインピーダンス、基板設計ではループと共通インピーダンスの低減が基本である。

電源ポート対策

MOV（酸化亜鉛バリスタ）＋GDT（放電管）＋シリーズインピーダンス（NTCや共振抑制素子）の協調。サーマルプロテクタやヒューズと連携させ暴走を防ぐ。
一次-二次の絶縁・沿面・空間距離の確保、コモンモードチョークやX/Yコンデンサの定格選定。
シャーシ接地の低インピーダンス化と実機の接地方式（TN/TT/IT）を踏まえた保護設計。

信号・I/Oポート対策

TVSダイオード（低Cタイプなど）とシリーズ抵抗/ビーズの組み合わせでクランプと立上り鈍化を両立。
受信比較閾値のマージン確保、コモンモードリジェクションの高いトポロジ選択（差動伝送、アイソレータ）。
長尺ケーブルにはシールド、ツイスト、サージ保護付中継を適用。

基板レイアウト・配線

高エネルギーストレスの電流ループを極小化し、クランプ素子から帰還経路までの導体長を短く太くする。
一次側クランプと二次側保護の間にグランド分割やフェライトビーズでエネルギーのなだれ込みを抑制。
信号基準面の連続性を維持し、スターパターン接地で共通インピーダンスを低減。

よくある不合格要因

クランプ素子の定格・配置不適、シャーシ接続の高インピーダンス化、保護協調の不整合（GDTの遅れでMOVが過負荷など）、2次側に残る残留サージによるロジックリセット、リレー・接点の溶着や接点間アーク、一次サージが通信線へ回り込むレイアウト起因の共通インピーダンス結合が典型である。

実務のポイント

要求レベルの根拠を使用環境・保護協調・安全機能から説明可能にする。設計段階で想定サージエネルギーと部品のジュール耐量を見積もる。
波形校正（開放端電圧・短絡電流）やソースインピーダンス、結合条件をレポートに明示し、再現性を担保する。
量産プロセスでは受入検査で保護素子ロットのバラツキを監視し、フィールドデータで故障メカニズムをフィードバックする。