コンデンサの種類の多様なコレクションは近年あまり変わっていませんが、アプリケーションは確実に変化しています。この記事では、パワーエレクトロニクスでコンデンサがどのように使用されているかを検討し、利用可能なテクノロジーを比較します。 フィルムコンデンサ などの今後のアプリケーションでその利点が示されています。 電気自動車 、代替エネルギーの電力変換、および ドライブ内のインバータ 。ただし、エネルギー貯蔵密度が主な要件である場合、アルミニウム (Al) 電解液は依然として重要です。
Al電解コンデンサまたはフィルムコンデンサ?
解雇するのは簡単です Al電解 しかし、それらとフィルムの代替品との間のパフォーマンスの違いは必ずしも明確ではありません。蓄積エネルギー密度、つまりジュール/立方センチメートルの点では、セグメント化された高結晶などの珍しいバリエーションはあるものの、標準的なフィルムコンデンサよりも優れています。 金属化ポリプロピレン 比較可能です。また、Al 電解は、競合するフィルム コンデンサよりも高温でもリップル電流定格を維持します。 Al 電解液の定格が適切に下げられていれば、認識されている寿命と信頼性の問題もそれほど重要ではありません。 Al 電解は、停電時にバッテリーのバックアップなしで DC バス電圧を乗り切る必要がある場合に依然として非常に魅力的です。たとえば、コストが駆動要因である場合、汎用オフライン電源においてバルク コンデンサの代わりにフィルム コンデンサが使用されることを期待することは特に困難です。
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フィルム コンデンサには、他のコンデンサに比べていくつかの重要な利点があります。つまり、等価直列抵抗 (ESR) 定格が大幅に低くなり、リップル電流の処理が大幅に向上します。サージ電圧定格も優れており、おそらく最も重要なことは、フィルム コンデンサが自己修復できることです。
図1 コンデンサーフィルムの特性です。
図2 ポリプロピレンフィルムの温度によるDFの変化。
ストレス後は、システムの信頼性と寿命が向上します。ただし、自己修復能力はストレスレベル、ピーク値、繰り返し率によって異なります。さらに、炭素の堆積や、障害除去中に発生するプラズマ アークによる付随的損傷により、最終的に壊滅的な障害が発生する可能性が依然としてあります。これらの特性は、電気自動車や代替エネルギー システムでの電力変換の最新のアプリケーションに適合しており、停電時やライン周波数リップル ピーク間でホールドアップが必要ありません。主な要件は、許容可能な損失と高い信頼性を維持しながら、数千アンペアとは言わないまでも数百アンペアに達する可能性のある高周波リップル電流をソースおよびシンクできる能力です。また、特定の電力レベルでの抵抗損失を低減するために、バス電圧を高くする動きもあります。これは、固有の最大電圧定格が約 550 V である Al 電解液を直列接続することを意味します。電圧の不均衡を回避するには、値が一致した高価なコンデンサを選択し、関連する損失とコストを伴う電圧バランス抵抗を使用する必要がある場合があります。
信頼性の問題は単純ではありませんが、制御された条件下では、電解質はパワーフィルムと同等であり、通常、損傷が発生する前に過電圧の 20% しか耐えられないことを意味します。対照的に、フィルム コンデンサは、限られた期間であればおそらく 100% の過電圧に耐えることができます。故障すると、電解液がショートして爆発し、危険な電解液の放電により直列/並列コンポーネントのバンク全体が停止する可能性があります。フィルム コンデンサも自己修復できますが、時折ストレスがかかる実際の条件下でのシステムの信頼性は、2 つのタイプ間で大きく異なる場合があります。すべてのコンポーネントと同様に、高湿度レベルはフィルム コンデンサの性能を低下させる可能性があるため、信頼性を最大限に高めるためには、これを適切に制御する必要があります。もう 1 つの実用的な差別化要因は、フィルム コンデンサの取り付けの容易さです。フィルム コンデンサは、一般的な丸い金属缶と比較して、ネジ端子からラグ、ファストン、バス バーに至るまで、さまざまな電気接続オプションを備えた、絶縁された容積効率の高い長方形のボックス エンクロージャで入手できます。電解質。無極性誘電体フィルムにより逆方向保護実装が可能となり、インバータ出力フィルタリングなど、AC が印加されるアプリケーションでの使用が可能になります。
もちろん、利用可能なフィルム コンデンサ誘電体の種類は数多くあり、図 1 はそれらの比較性能の概要を示しています [1]。ポリプロピレンフィルムは、その低いDFと単位厚さ当たりの高い絶縁破壊のため、応力下での損失と信頼性が主な考慮事項である場合、総合的に優れています。他のフィルムは、温度定格と静電容量/体積の点で優れており、誘電率が高く、より薄いフィルムが入手可能であり、低電圧ではポリエステルが依然として一般的に使用されています。 DF は特に重要であり、ESR/容量性リアクタンスとして定義され、通常は 1 kHz および 25 °C で指定されます。他の誘電体と比較して DF が低いということは、発熱が低いことを意味し、マイクロファラッドあたりの損失を比較する方法となります。 DF は周波数と温度によってわずかに変化しますが、ポリプロピレンが最も優れた性能を発揮します。図 2 と 3 は、典型的なプロットを示しています。
図 4 に示すように、フィルム コンデンサの構造には、フォイルと蒸着メタライゼーションを使用する 2 つの主なタイプがあります。通常、厚さ約 5 nm の金属フォイルは、高いピーク電流能力を実現するために誘電体層の間に使用されますが、自動的には機能しません。・ストレスに耐えた後に治癒する。金属化フィルムは真空によって形成され、通常は 1,200 °C でフィルム上に Al を約 20 ～ 50 nm の厚さに蒸着し、フィルムの温度は -25 ～ -35 °C の範囲になります。
図3 ポリプロピレンフィルムの周波数によるDFの変化。
図4 フィルムコンデンサの構造
ただし、亜鉛 (Zn) や Al-Zn 合金も使用できます。このプロセスにより自己修復が可能になり、誘電体全体の任意の点で絶縁破壊が発生すると、おそらく最大 6,000 °C までの局所的な激しい加熱が発生し、プラズマが形成されます。破壊チャネルの周囲の金属層は蒸発し、プラズマの急速な膨張によって放電が消失し、欠陥が分離され、コンデンサは完全に機能します。静電容量の減少は最小限ですが、時間の経過とともに増加するため、コンポーネントの経年劣化を示す有用な指標となります。
信頼性をさらに高める一般的な方法は、フィルム上のメタライゼーションをおそらく数百万の領域にセグメント化し、狭いゲートでセグメントに電流を流し、重大な過負荷に対するヒューズとして機能させることです。メタライゼーションへの総電流経路が狭くなることにより、コンポーネントのピーク電流処理が減少しますが、導入された追加の安全マージンにより、コンデンサをより高い電圧で有効に定格できるようになります。
最新のポリプロピレンの絶縁耐力は約 650 V/μm で、厚さは約 1.9 μm 以上のものが入手可能であるため、最大数キロボルトのコンデンサ電圧定格が日常的に達成可能であり、一部の部品では定格が 100 kV に達することもあります。ただし、電圧が高くなると、コロナ放電としても知られる部分放電 (PD) 現象が要因になります。 PD は、材料のバルク内または材料層間の空隙内の微小空隙の高電圧破壊であり、絶縁経路全体の部分的な短絡を引き起こします。 PD (コロナ放電) はわずかに炭素の痕跡を残します。初期の影響は目立ちませんが、時間の経過とともに蓄積され、弱くなったカーボントレース断熱材が突然完全に破壊されます。この効果は、図 5 に示すパッシェン曲線で表され、特徴的な開始電圧と消滅電圧を持ちます。この図は、2 つの電界強度の例を示しています。パッシェン曲線 A より上の点は、PD の故障を引き起こす可能性があります。
図5 パッシェン曲線と電界強度の例。
この影響に対抗するために、非常に高い電圧定格のコンデンサには油が含浸され、層の界面から空気が遮断されます。低電圧タイプは樹脂で充填される傾向があり、これは機械的堅牢性にも役立ちます。もう 1 つの解決策は、単一のハウジング内に直列コンデンサを形成し、それぞれの両端の電圧降下を効果的に低減して開始電圧を十分に下回るようにすることです。 PD は電界強度による影響であるため、電圧勾配を減少させるために誘電体の厚さを増やすことは常に可能ですが、コンデンサの全体的なサイズが増加します。ピーク電流能力と自己修復との間の妥協点を提供するために、フォイルとメタライゼーションを組み合わせたコンデンサ設計があります。メタライゼーションはコンデンサの端から段階的に行うこともできるため、端の材料を厚くすると電流処理が向上し、はんだ付けまたは溶接によるより堅牢な終端が得られます。また、段階的に段階的に段階的に行うこともできます。
おそらく、一歩下がって、Al 電解コンデンサを使用することがどのような利点があるかを観察することは有益です。一例は、図 6 に示すように、力率補正されたフロント エンドを備えた 90% 効率の 1 kW オフライン コンバータで、20 ミリ秒のライドスルーを必要とします。通常、これには内部 DC バスがあり、公称電圧 Vn は 400 V、ドロップアウト電圧 Vd は 300 V で、それを下回ると出力レギュレーションが失われます。
バルク コンデンサ C1 は、停電後にバス電圧が 400 V から 300 V に低下するときに、指定された通過時間の間、一定の出力電力を維持するためにエネルギーを供給します。数学的には、450 V 定格で Po t/h =1/2 C(Vn²-Vd²) または C=2*1000*0.02/0.9*(400²-300²) =634nF となります。
もし Al電解コンデンサ たとえば、 TDK-エプコス B43508シリーズを使用しています。対照的に、フィルム コンデンサは非現実的に大きく、TDK-エプコス B32678 シリーズを使用する場合、総体積 1,500 cm3 (つまり 91 in 3 ) でおそらく 15 個の並列コンデンサが必要になります。違いは明らかですが、DC ラインのリップル電圧を制御するためにコンデンサが必要な場合、選択は変わります。 400 V のバス電圧がバッテリーから供給されているため、ホールドアップが必要ない同様の例を考えてみましょう。しかしながら、下流のコンバータによって２０ｋＨｚで取られる８０Ａｒｍｓの高周波電流パルスからのリップル効果を、例えば４Ｖの二乗平均平方根（ｒｍｓ）まで低減する必要がある。これは電気自動車のアプリケーションである可能性があり、必要な静電容量は、定格 450 V で C=irms/Vrippe.2.Π.f=80/4*2*3.14*20*1000=160 uF から近似できます。
図6 ライドスルー（ホールドアップ）用のコンデンサーです。 HVDC: 高電圧 DC。
180 µF、450 V の電解液のリップル電流定格は、周波数補正を含めて 60 °C でわずか約 3.5 A rms です (EPCOS B43508 シリーズ)。したがって、80 A の場合、23 個のコンデンサが並列に必要となり、総体積 1,200 cm3 (つまり 73 in 3) で不必要な 4,140 µF が生成されます。これは、電解液のリップル電流定格 20 mA/µF に準拠しています。フィルムコンデンサを考えると、今度は 4 個だけ並列に接続します。 EPCOS B32678 これらのシリーズは、402 cm3 (つまり、24.5 in 3) の体積で 132 A rms リップル電流定格を与えます。温度がたとえば周囲温度 70 °C 未満に制限されている場合でも、より小さいケース サイズを選択できます。たとえ他の理由で電解質を選択したとしても、過剰な静電容量により、突入電流のエネルギーの制御など、他の問題が発生する可能性があります。もちろん、一時的な過電圧が発生する可能性がある場合、アプリケーションではフィルム コンデンサの方がはるかに堅牢になります。この例としては、軽トラクションの場合が挙げられます。この場合、カテナリーへの断続的な接続により DC リンク接続に過電圧が発生します。
この例は、無停電電源装置システム、風力および太陽光発電、溶接、系統接続インバータなど、今日の多くの環境に典型的なものです。フィルムと Al 電解のコストの違いは、2013 年に発表された数値にまとめられています [2]。整流された 440 Vac からの DC バスの一般的なコストを表 1 に示します。
他の用途はデカップリングと スナバ回路 コンバータまたはインバータで。ここでは、金属化タイプには特別な設計と製造手順が必要なため、サイズが許せばフィルム/フォイル構造を使用する必要があります。デカップリングとして、コンデンサは DC バスの両端に配置され、高周波電流 (通常は 100 A スイッチングあたり 1 μF) を循環させるための低インダクタンス経路を提供します。コンデンサがないと、電流はより高いインダクタンスのループを循環し、次の式に従って過渡電圧 (Vtr) が発生します: Vtr =-Ldi/dt。
1,000 A/μs の電流変化が可能であるため、わずか数ナノヘンリーのインダクタンスで大きな電圧が生成されます。プリント基板のトレースのインダクタンスは約 1 nH/mm であるため、この状況ではおよそ 1 Vtr/mm になります。したがって、接続をできるだけ短くすることが重要です。スイッチ間の dV/dt を制御するには、コンデンサと抵抗/ダイオード ネットワークを並列に配置します。 IGBT または MOSFET (図 7)。
これにより、リンギングが遅くなり、電磁干渉 (EMI) が制御され、高周波によるスプリアス スイッチングが防止されます。
図7 スイッチがスナッビングする。 図8 EMI対策としてフィルムコンデンサを採用。 図9 モーター駆動の EMC フィルタリングのフィルム コンデンサ。
特に IGBT の dV/dt。多くの場合、スナバ容量をスイッチの出力容量と実装容量の合計のおよそ 2 倍にすることから開始点が決まり、リンギングを大幅に減衰させる抵抗が選択されます。より最適な設計アプローチが策定されました。
安全定格のポリプロピレン コンデンサは、差動モード EMI を低減するために、電力線全体によく使用されます (図 8)。一時的な過電圧に耐え、自己修復する能力は非常に重要です。これらの位置のコンデンサは X1 または X2 として定格されており、それぞれ 4 kV および 2.5 kV の過渡電流に耐えることができます。高電力レベルで一般的な電磁適合性 (EMC) 規格への準拠を達成するために、使用される値は多くの場合マイクロファラッド単位です。フィルム Y タイプ コンデンサは、漏れ電流を考慮して静電容量値が制限されている場合、コモン モード ノイズを減衰するためにラインとアース間の位置でも使用できます (図 8)。 Y1 バージョンと Y2 バージョンは、それぞれ 8 kV および 5 kV の過渡定格に対応しています。 フィルムコンデンサの低い接続インダクタンス 自己共振を高く保つのにも役立ちます。
無極性コンデンサの用途が増加しているのは、直列インダクタを使用してローパス フィルタを形成し、ドライブやインバータの AC 出力の高周波高調波を減衰することです (図 9)。ポリプロピレン・コンデンサは、アプリケーションにおける信頼性、高いリップル電流定格、優れた体積効率によりよく使用され、インダクタとコンデンサは 1 つのモジュールにパッケージ化されることがよくあります。モーターなどの負荷はドライブ ユニットから離れていることが多く、システムが EMC 要件を満たせるようにし、過剰な dV/dt レベルによるケーブルやモーターへのストレスを軽減するためにフィルターが使用されます。
