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絶縁体の破壊電圧とは、絶縁体の一部が電気的に破壊され、導電性を持つようになる最小電圧のことである。
ダイオードの場合、降伏電圧とは、ダイオードが逆方向に顕著に導通する最小の逆電圧のことです。一部のデバイス（トライアックなど）は、順方向降伏電圧も持ちます。
物質は、その抵抗率に基づいて導体または絶縁体に分類されることが多い。導体とは、電荷キャリアと呼ばれる多くの移動可能な荷電粒子を内外に含む物質である。物質の異なる面にある電気接点間に電圧差を印加することで、物質全体に電場が発生する。電場の力によって物質内の電荷キャリアが移動し、正極から負極へ電流が流れる。例えば、金属では、各原子内の負に帯電した電子のうち1つ以上（伝導電子と呼ばれる）が結晶格子内を自由に移動できる。電場によって大きな電流が流れるため、金属は抵抗率が低く、優れた導体となる。一方、プラスチックやセラミックなどの物質では、すべての電子が原子に強く束縛されているため、通常の状態では物質中に移動可能な電荷キャリアはごくわずかしか存在しない。電圧を印加してもごくわずかな電流しか流れないため、物質の抵抗率が非常に高くなり、絶縁体に分類される。
しかし、十分に強い電界が印加されると、すべての絶縁体は導体になります。絶縁体に印加される電圧を増加させると、ある電界強度で材料中の電荷キャリアの数が急激に増加し、抵抗率が低下して強い電流が流れます。これを電気的破壊と呼びます。破壊は、電界が十分に強くなり、材料の分子から電子を引き離してイオン化するときに発生します。放出された電子は電界によって加速され、他の原子に衝突して連鎖反応を起こし、さらに多くの自由電子とイオンを生成し、材料を荷電粒子で満たします。これは、各材料に固有の電界強度（ボルト/センチメートルで測定）で発生し、これを誘電強度と呼びます。
絶縁体に電圧を印加すると、各点の電界は電圧の勾配に等しくなります。電圧勾配は、物体の形状や組成の局所的な変化により、物体のさまざまな点で変化する可能性があります。絶縁破壊は、物体のどこかの領域で電界が材料の絶縁耐力を超えたときに発生します。ある領域が絶縁破壊を起こして導電性になると、その領域では電圧降下がほとんどなくなり、絶縁体の残りの長さに全電圧が印加され、勾配と電界が大きくなり、絶縁体の他の領域がさらに絶縁破壊を起こします。絶縁破壊は、絶縁体を通る導電経路に沿って急速に広がり、正極から負極まで広がります。この現象が発生する電圧を、その物体の絶縁破壊電圧と呼びます。絶縁破壊電圧[ 1 ] は、材料の組成、物体の形状、電気接点間の材料の長さによって変化します。
絶縁破壊電圧は、絶縁体が導通する前に材料に印加できる最大電圧差を定義する絶縁体の特性です。固体絶縁材料では、通常、急激な電流によって永久的な分子変化または物理的変化が生じ、材料内部に弱体化した経路が形成されます。特定の種類のランプに見られる希薄ガスでは、絶縁破壊電圧はストライキング電圧とも呼ばれます。[ 2 ]
材料の絶縁破壊電圧は、破壊の一形態であり、特定の電圧で材料が破壊するかどうかは統計的な確率であるため、確定的な値ではありません。値が示される場合、それは通常、多数のサンプルの平均絶縁破壊電圧です。別の用語として耐電圧があり、これは特定の電圧での破壊確率が非常に低いため、絶縁設計においては、その電圧では材料が破壊しないと考えられることを意味します。
材料の絶縁破壊電圧の測定には、交流絶縁破壊電圧とインパルス絶縁破壊電圧の2種類があります。交流電圧は主電源の周波数です。インパルス絶縁破壊電圧は落雷をシミュレートするもので、通常、波が90%の振幅に達するまで1.2マイクロ秒の立ち上がり時間を使用し、その後50マイクロ秒後に50%の振幅まで低下します。[ 3 ]
これらの試験の実施を規定する2つの技術規格は、ASTMが発行したASTM D1816とASTM D3300である。[ 4 ]
大気圧の標準条件下では、空気は優れた絶縁体であり、絶縁破壊を起こすには3.0 kV/mmの電圧を印加する必要があります（例えば、雷、コンデンサのプレート間、またはスパークプラグの電極間の火花放電など）。他のガスを使用すると、この絶縁破壊電位が低下し、電位の異なる2つの非絶縁表面が周囲のガスの絶縁破壊を引き起こす可能性があります。絶縁破壊は短絡に似ているため、機器に損傷を与える可能性があります。
気体中では、絶縁破壊電圧はパッシェンの法則によって決定できる。
部分真空中の絶縁破壊電圧は次のように表される[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] どこはボルト単位の破壊電位です。そして周囲のガスに依存する定数であり、周囲のガスの圧力を表し、は電極間の距離を表し、は二次電子放出係数を表す。
パッシェンの法則に関する記事には、詳細な導出過程と背景情報が記載されています。
降伏電圧は、ダイオードのパラメータの一つで、ダイオード内の漏れ電流が指数関数的に増加することなく印加できる最大の逆電圧を定義します。ダイオードの降伏電圧を超えても、それ自体は破壊的ではありませんが、許容電流を超えては破壊的になります。実際、ツェナーダイオードは、基本的に高濃度にドープされた通常のダイオードであり、ダイオードの降伏電圧を利用して電圧レベルを調整します。
整流ダイオード（半導体または真空管）には、ダイオードにかかるピーク逆電圧（PIV）や、整流回路への最大実効入力電圧（これははるかに低い値になります）など、いくつかの電圧定格があります。
多くの小信号トランジスタは、過度の発熱を避けるために、降伏電流を非常に低い値に制限する必要があります。デバイスの損傷を防ぎ、過剰なリーク電流が周囲の回路に及ぼす影響を制限するために、バイポーラトランジスタの最大定格は、通常、以下のように規定されます。
電界効果トランジスタは同様の最大定格値を持つが、接合型FETにとって最も重要なのはゲート・ドレイン間電圧定格である。
一部の機器では、電圧変化率の最大値が指定されている場合もあります。
架空送電線に接続された電力変圧器、遮断器、開閉装置、その他の電気機器は、電力回路に誘起される過渡的な雷サージ電圧にさらされます。電気機器には、基本雷インパルスレベル（BIL）が規定されています。これは、雷サージまたは回路の開閉によって誘起されるサージの電気的ストレスをシミュレートすることを目的とした、標準化された波形を持つインパルス波形のピーク値です。BILは、機器の標準的な動作電圧と調整されます。高電圧送電線の場合、インパルスレベルは、通電中のコンポーネントの接地距離に関連しています。たとえば、定格138 kVの送電線は、650 kVのBILで設計されます。雷にさらされる状況が深刻な場合は、最小値よりも高いBILが規定されることがあります。[ 8 ]
![{\displaystyle V_{\text{b}}={\frac {B\,p\,d}{\ln(A\,p\,d)-\ln \left[\ln \left(1+{\frac {1}{\gamma _{\text{se}}}}\right)\right]}},}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/413421a0b7666f5328569d1f43e690f8e961dc3f)
