差動電圧20kVのユースケース　コモンモード電圧80kV

差動電圧 20 kV（コモンモード電圧/High-Sideが 80 kV）という仕様は、極めて過酷かつ特殊な高圧絶縁・計測技術が要求される領域です。

このような「超高コモンモード電圧下での高差動電圧計測」または「超高圧フローティング駆動」が必要とされる具体的なユースケースと、それを実現するための技術的アプローチについてまとめました。

1. 想定される主なニーズ・ユースケース

このレベルの電圧仕様（ハイサイド 80kV、差動 20kV = ローサイド 60 kV または 80 kV ± 10 kV など）は、主に以下の最先端・大型エネルギー分野や実験設備で求められます。

① 新エネルギー・送電インフラ（高圧直流送電：HVDC）

• MMC（マルチレベル・モジュラー・コンバータ）のセル監視: 数万〜数十万ボルトのHVDC送電システムでは、低圧のパワー半導体セルを直列に無数に積み重ねて高圧を維持します。最上段（High-Side）に近いセルは対地電圧（コモンモード）が 80kV 近くに達し、そのセル自体のコンデンサ電圧やスイッチング電圧（差動成分として数十 kV）を正確にモニターする必要があります。

• 次世代超高圧インバータ・DC-DCコンバータの評価

② 核融合実験装置・プラズマ発生装置

• 加熱装置（NBI: 中性粒子入射加熱装置）の電源・計測:

  核融合装置では、数十kV 〜 数百 kV の高圧フローティング電位に持ち上げられた回路上で、制御信号やアーク放電、グリッド間電圧（差動 20 kV クラス）を測定・制御するニーズが定常的に存在します。

• クライストロン／ジャイロトロン駆動用電源の監視:

  高出力高周波源の陰極・陽極間の高速な電圧変動を、高コモンモード下で安全に捉えるため。

③ 大型X線発生装置・電子ビーム溶接機

• 加速電圧の極性・動的挙動の測定:

  80 kV クラスの加速電圧が印加されている電子銃のフィラメントや、グリッドバイアス（差動成分）の制御・波形観測。

④ 宇宙・航空用電気推進（イオンエンジン）

• 高電圧のスクリーニング試験や、模擬宇宙環境での絶縁破壊・放電特性評価。

2. 技術的課題（何が難しいのか）

1. 対地絶縁（コモンモード耐圧）: 80 kV の直流（およびスイッチングに伴う高 dv/dt）に耐え、リーク電流や部分放電（コロナ放電）を完全に防ぐ必要があります。

2. 高CMRR（同相信号除去比）: コモンモードが 80 kV もある中で、わずか（相対的に）20 kV の差動成分をノイズに埋もれさせずに、高精度かつ高速に抽出する必要があります。

3. 安全性の確保: 測定器側（低圧側・人間が触れる側）への絶対的な絶縁隔離。

3. 実現するための技術的アプローチ

この仕様を満たす計測・駆動システムを構築する場合、一般的なプローブの延長では対応できず、「光絶縁」または「極低容量の高圧分圧」が基本戦略となります。

アプローチA：光ファイバー分離型・フローティング計測システム

高圧側（80 kV 電位）に計測ユニットごとフローティングさせ、データ転送と電源供給を完全に光で行う方法です。

[High-Side: 80kV 電位]
 ├──(+) 80kV ────┐
 │               [高圧減衰器 / 差動入力 (20kV耐圧)] 
 └──(-) 60kV ────┘
         │
    [A/D変換 + バッテリー/光給電駆動]
         │
         ▼ (光ファイバー：電気的に完全絶縁)
         │
    [低圧側：受信・表示ユニット] ──> オシロスコープ等

• メリット: 対地容量が極めて小さく、高 dv/dt に対してもノイズが乗りにくい。

• 電源供給: 高圧側ユニットへの電源は、内蔵バッテリー、または低圧側から高出力レーザーを光ファイバーで送り、高圧側で光電発電（Power-over-Fiber）させる手法が取られます。

アプローチB：光絶縁差動プローブ　Micsigが持つ「光絶縁プローブ（Gen3）」

この Gen 3（MOIPシリーズ）は、専用の超高圧アッテネータ（チップ）を自社ラインナップに加えることで、まさに「単体（チップ交換）で差動20kV、コモンモード85kV」を完全にカバーしています。

■ 今回のニーズに対する SigOFIT Gen 3 の適合性

【ユーザーの要求仕様】                【SigOFIT Gen 3 (MOIPシリーズ) スペック】
・コモンモード電圧: 80kV               ・アイソレーション電圧 (コモンモード): 85kV pk (クリア)
・差動電圧: 20kV                     ・最大差動測定電圧: ±20kV (OP40000チップ使用時) (クリア)

■ 主要な仕様（スペック）の抜粋

超高圧測定において極めて重要な「コモンモード耐圧」「差動電圧レンジ」「CMRR（同相信号除去比）」のバランスが以下のように示されています。

・コモンモード耐圧 (Common Mode Voltage Range)
  最大 85 kV pk (完全な電気的・光ファイバー絶縁)

・帯域幅 (Bandwidth) ラインナップ
  1GHz (MOIP1000P) / 500MHz (MOIP500P) / 350MHz (MOIP350P) / 200MHz (MOIP200P)
  ※ただし、後述する20kV用の超高圧アッテネータ使用時は、帯域幅は「200MHz制限」となります。

・DCゲイン精度
  1% 未満

・ノイズフロア
  0.3 mVrms 未満 (非常にクリーン)

■ 差動20kV・10kVを実現する「超高圧アッテネータ（チップ）」の仕様

資料の6ページに、差動10kVおよび20kVを直接受けるための 「Ultra-High Voltage Attenuator」 の具体的な型番と仕様が掲載されています。

[型番]      [減衰比]        [測定電圧範囲]    [最高破壊耐圧]    [入力インピーダンス / 容量]
-----------------------------------------------------------------------------------------
OP20000     20000:1         ±10,000 V        15,000 Vpk       120 MΩ || ≤ 2 pF  (★差動10kV用)
OP30000     30000:1         ±15,000 V        20,000 Vpk       180 MΩ || ≤ 1 pF
OP40000     40000:1         ±20,000 V        30,000 Vpk       240 MΩ || ≤ 1 pF  (★差動20kV用)

※注意点：これら超高圧アッテネータ（OP20000〜OP40000）を装着した場合、
          システムの周波数帯域幅は「200 MHz 制限 (Bandwidth Limit)」となります。

■ この製品（Gen 3）がもたらすブレイクスルー

これまで、対地80kVの上に乗った20kVの高速スイッチング波形や過渡サージを測定する場合、「自作の分圧器」や「巨大なオイル満たしの受動分圧ネットワーク」を組む必要があり、浮遊容量（数十pF〜）による波形のなまりや、インダクタンスによる激しいリンギングに悩まされていました。

しかし、この SigOFIT Gen 3 と専用アッテネータの組み合わせにより、以下のメリットが得られます。

1. 極めて低い入力容量 (≤ 1 pF)
   20kVクラスの分圧器でありながら、入力容量がわずか 1 pF 以下に抑えられているため、
   高圧コンバータやプラズマ放電時の「超高速な立ち上がり（dv/dt）」に対して、
   測定系が負荷（回路への影響）にならず、真の波形を捉えられます。

2. 圧倒的な高周波CMRR
   DCで180dB、100MHz帯でも128dB以上のCMRRを維持しているため、
   80kVのコモンモード電圧が激しく動いたとしても、そのノイズを完全にキャンセルし、
   「差動20kVの成分だけ」をきれいに浮き上がらせることができます。

3. 安全性とキャリブレーション・フリー
   光パワーのリアルタイム自動補正機能がついており、電源ONですぐに使用可能。
   24時間連続動作の環境でもゼロドリフトやゲインドリフトが極めて少ないため、
   高圧ハット内やシールドルーム内での長時間の定常実験・モニタリングに最適です。

差動20kV（コモン80kV）、および差動10kV（コモン50kV）の双方において、外部に大掛かりな分圧装置を自作することなく、このプローブ＋「OP40000（20kV用）」または「OP20000（10kV用）」アッテネータの組み合わせだけでシステムが完結するという、現在の高圧計測における極めて強力な「最適解」の一つと言えます。

アプローチC：高精度高圧差動分圧器（抵抗・容量コンデンサ分圧）

ハイサイド側、ローサイド側それぞれから、高精度な対地分圧器（高圧抵抗とコンデンサをラダー状に組んだもの）を下ろし、低圧側で差動増幅器に入れる手法です。ただし、分圧比のわずかなミスマッチが巨大な同相ノイズとなって差動成分に現れるため、静特性・動特性の極めて精密なマッチング（チューニング）が必要不可欠です。

まとめ

差動 20 kV / コモン 80 kV は、電力インフラのインバータ開発（HVDC関連）や物理実験装置（プラズマ・加速器）において不可欠なコンポーネントです。