パワー・エレクトロニクス用途におけるフィルムコンデンサの特性と使用方法

パワー・エレクトロニクスの設計には、エネルギーの貯蔵からフィルタ、そしてデカップリングなどの機能のためにコンデンサが不可欠です。コンデンサにはさまざまなタイプがありますが、それらは定格容量や定格電圧が同等だとされていても、実際の性能が異なる場合があります。ここで選択を誤れば、過剰な設計によってソリューションのコストが高くなるばかりか、製品の信頼性や安全性が損なわれる可能性もあります。

このレポートでは、パワー・エレクトロニクス用途で使用できる、各種のコンデンサについて説明します。特に電解タイプとフィルム・タイプを比較して、それぞれに適した用途を明らかにしていきます。

各種のフィルム・タイプについては、それぞれの構造を詳細に示し、推奨されるタイプを特定します。容量、リップル電流定格、過渡電圧耐性、安全定格などの仕様、またその他の特性についても記載されています。電圧ストレス後の「自己修復」現象については、物理的なメカニズムと、一般的な回路における有効性を示します。

またパワー・エレクトロニクスにおけるフィルム・コンデンサの主要な用途を特定し、フィルム・コンデンサを適切に選択する方法を紹介します。さらにいくつかの回路の例について詳細な計算を行い、特定のコンデンサと定格の選択方法を示します。これらの計算は、エンジニアが設計の基礎として利用できるように一般化されています。

パワエレにおけるフィルム・コンデンサの役割

今日の電子機器で、コンデンサを一切使用しないということは考えられません。たとえば携帯電話の場合、見えないほど小型の表面実装タイプであっても、コンデンサは必要です。パワー・エレクトロニクス(パワエレ)において、フィルタリング、エネルギー変換・伝送が大きな要素となりますが、一方、コンデンサの容量は立方インチで計測できます。

パワエレでは、アルミニウム(Al)電解タイプとフィルム・タイプを選択できる場合がありますが、エネルギーの貯蔵密度の点ではAl電解タイプが優れています。フィルム・タイプでこれに匹敵するのは、「セグメント化高結晶性金属化プロピレン」など、特異で高コストなものに限られます。しかも、高温ではリップル電流定格を維持することができません。Al電解は寿命と信頼性の点で評価が比較的低いという問題がありますが、それは酷使される環境場合に限られます。電圧、リップル電流、温度が適切に調整ディレーティングされていれば、何年もの使用に耐えられます。所定の容量電圧(CV)定格で低コストであることは、商用AC-DC電源の内蔵高電耐圧DCバスなど、大容量のエネルギー貯蔵用途において実用的なソリューションであるために重要です。

ただしフィルム・タイプのコンデンサにも、Al電解タイプに比べて優れた面があります。同一のCV定格で等価直列抵抗(ESR)が非常に小さくなるため、通常はリップル電流定格が向上します。

また過大な電圧に対する耐性が比較的高く、場合によってはある程度の絶縁破壊があっても「自己修復」でき、システムの信頼性と寿命が向上します。局部的な絶縁破壊が発生した場合には、フィルム・コンデンサの本体に短絡が形成されますが、プラズマアークが発生することで短絡が解消されます。ただしこれは応力限界以下でのみ機能します。炭素析出とその影響による誘電体絶縁の損傷があれば、致命的な故障になる可能性もあります。

Al電解は、通常20%の過電圧にしか耐えられませんが、フィルム・タイプの場合は一定時間内であれば100%耐えることができます。故障モードでの違いも大きくなります。Al電解では過大な圧力がかかることで短絡が発生し液体電解質が放出されることで、他のコンポーネントが損傷を受けることがあります。

Al電解タイプとフィルム・タイプでの理論的な故障率は適正な定格低減と同程度ですが、誘導負荷や落雷などによる電圧ストレスが発生することがある現実の用途では、この2つのテクノロジーはシステムの信頼性の点で大きく異なります。フィルム・コンデンサには湿気による劣化の問題があります。これは他のコンポーネントについても共通の問題であり、信頼性を高めるためには湿度を制御する必要があります。

エネルギー貯蔵が主要なパラメータでない場合、フィルム・コンデンサはが高性能のソリューションになる可能性があります。例えば、電気自動車、代替エネルギー・システム、無停電電源などで使用されるバッテリー式のDCバスなどが挙げられます。低損失と低リップル電圧を実現するにはコンデンサのESRを小さくすることが不可欠ですが、こうした用途では、コンデンサの主要な機能は、数百または数千Aになる高周波のリップル電流の発生と減衰を制御することにあります。

バス電圧を大きくする場合もフィルム・コンデンサ・タイプが適しています。高電圧でも低いCV定格で同量のエネルギーを貯蔵できるため(E=CV2/2により)、必要な容量が少なく、必要に応じ、kV定格でフィルム・タイプを使用できます。Al電解は技術的な制約から約550Vが限度になっています。重ねることで電圧を上げることはできますが、固有の高い、可変漏れ電流が並列の分圧抵抗器が必要になり、それに伴うコストや損失も発生します。

Al電解の短絡故障モードについて考察しましたが、直列の場合、このように1つの障害が発生すると他の部分に高電圧が生じ、それが重なって結果的に大きな損傷が発生します。

フィルム・コンデンサとAl電解コンデンサの実際用上の違いは、実装方法にあります。フィルム・コンデンサは体積効率に優れた長方形のボックス形式で、ワイヤ、ねじ、ラグ、プッシュ式コネクタ、バスバー終端などから選択できます。Al電解の場合は同様の終端を利用できますが、円形の金属缶が唯一の標準オプションです。フィルム・タイプはAl電解タイプと異なり、無極性であるため、電圧の極性を問わず、反転が可能です。これはフィルム・タイプが、インバータ出力フィルタリングなど、AC電圧が適用される用途に最適であることも示しています。

ここまでは一般的なフィルム・タイプのコンデンサ全般について見てきましたが、性能と用途が異なる多数のサブタイプが存在します。図1[1]に、パワー・エレクトロニクスで使用されるタイプと、主要な特性を示します。

パフォーマンス・データを見ると、電圧と容量の範囲が広く自己修復性に優れたポリプロピレンが、パワー・エレクトロニクス用途に適した特性を示しています。すべての周波数で誘電正接(DF)の数値が特に低いことも重要です。DFは、容量性リアクタンスZC = 1/2πfCに対するESRの比率です。数値が低い場合は、他の誘電体に比べて熱効果が低いことを意味しています。これを見ることで、コンデンサのタイプごとにマイクロファラッド単位で静電容量の損失を比較できます。一般的に温度と周波数によるDFの変化はわずかですが、比較ではポリプロピレンが優れた特性を示しています。図2のグラフを参照してください。

電力の重要性が低い用途では、高比容量(体積あたりのCV)と広範な温度範囲を特徴とするポリエステルが、低コストの優れた選択肢になります。

ポリプロピレン・コンデンサの構造

ポリプロピレン・コンデンサを詳細に見ると、図3[2]で示すように、金属箔と金属蒸着の2つの基本的な構造があることがわかります。

前者の場合は、厚さ約5μmの金属箔を誘電体層が挟むことで、高いピーク電流性能が実現していますが、自己修復機能はありません。金属化フィルム構造では、約1200℃のアルミニウム、場合によっては亜鉛または亜鉛合金を、真空下でポリプロピレン・フィルムに約20～50nmの厚さで蒸着させています。蒸着中のフィルムは通常-25℃～-35℃の低温に維持され、このプロセスで自己修復が可能になります。

使用時に局部的な絶縁破壊が発生すると、場合によっては6000℃まで急激に温度が上昇し、プラズマアークが形成される原因となり、金属化が局部的に揮発すると、プラズマが急速に拡散してアークが冷却され、欠陥領域が10μsの範囲で絶縁されることで、コンデンサの動作が継続します。容量が多少失われるとしても影響は最小であり、それを継続的にモニタリングすれば、コンポーネントの経年劣化の測定材料になります。

金属化はフィルム上の断片的な(場合によっては百万単位の)セグメントとして生じることがあり、狭い「ゲート」を通じてセグメントに通電し、過負荷に対するヒューズとして機能します。電流経路全体を狭くすればピーク電流の処理が軽減されますが、結果として生じる余剰の安全マージンにより、コンデンサの定格電圧が高くなります。

設計によっては、金属箔と金属化構造が組み合わされて、ピーク電流処理と自己修復との間でパフォーマンスに妥協が生じることもあります。またコンデンサのエッジから金属化をグレーディングすれば、エッジ部分の厚みが電流処理を改善し、はんだ付けまたは溶接による終端を強固にできます。グレーディングは段階的にすることも連続的にすることも可能です。

部分放電の効果

ここで使用するポリプロピレン・フィルムは、絶縁耐力が約650V/μm、厚さが約2μmであるため、デバイスでは100kV用の部品で数kVの定格電圧を容易に得ることができます。

ただし電圧が非常に高い場合には、部分放電(PD)の影響が生じます。これは「コロナ」とも呼ばれる、絶縁層間の誘電体または空隙の全体にわたるマイクロボイドの絶縁破壊です。それによって絶縁体に「部分的」な短絡が生じ、結果的に絶縁経路が短縮され、絶縁破壊のしきい値電圧が局部的に低減します。それぞれの短絡によって絶縁体の他の部分のストレスが高まり、時間の経過ととともに蓄積して転換点に達すると、全体的な絶縁破壊が発生します。部分放電は、高電圧試験中の過渡電流増加による個々の絶縁破壊イベントを登録する、特殊な装置によって検出します。イベントにおけるエネルギーはピコクーロン単位であるため検出は容易ではありませんが、長期的な絶縁の状態を測定する手段になります。

図4のグラフAは"PD効果を示すパッシェン曲線"であり、マイクロボイドの大きさと絶縁破壊電圧の関係における特性と「最小」を示しています。グラフBとCは、パッシェン曲線Aを超える絶縁体ポイントによってPDによる絶縁破壊が生ずる電解強度の例を示しています。PDには絶縁破壊の「開始」電圧がありますが、絶縁破壊が停止する前に小さな「消滅」電圧が見られます。

含浸性の高電圧コンデンサは、絶縁破壊しきい値が低く、PDを助けます。樹脂充填の低電圧コンデンサにも同様の効果があり、機械的な耐久性を高めます。

PDは、電解の強度kV/mmによる効果であるため、誘電体の厚みがあるほど影響が少なくなりますが、同じCV定格に対するコンポーネントのサイズが大きくなります。コンデンサは直列に接続して、PDの開始点未満まで個々の電圧ストレスを低くすることができますが、分圧抵抗器が必要になる場合があります。高電圧のコンデンサは、PDを回避するために、1つの筐体内の直列素子によって形成されることもあります。

パワエレにおけるコンデンサの用途

すでに述べたように、コンデンサについては、電力変換器または電力インバータのDCバスでの用途が重要です。Al電解タイプとフィルム・タイプのコンデンサを選択する上では、「ライドスルー」または「ホールドアップ」の必要性が差別化要因になります。

各タイプの適合性を確認するための例を見てみましょう。事前に力率が補正された、90%の効率性の1kWオフラインAC-DCコンバータがあるとします。内蔵DCバスは400VDC公称で動作し、図5に示すように、300VDCに低下した時点でコンバータによる調整が停止します。

停電時に20msのライドスルーが必要になる場合は、DCバスにコンデンサを置いてコンバータからエネルギーを供給し、停電から回復するまで1kWの出力で動作を継続させる必要があります。必要な静電容量(C)を計算するには、コンデンサ内のエネルギーが400V(Vn)から300V(Vd)に低下した場合の差異を同等と見なし、コンバータに供給するエネルギーを、電力(Po)に時間(t)を乗算し、効率(η)で除算することで求めます。

TDKの製品ラインから従来型のハイグレードコンデンサB43508シリーズを選択した場合は、約52cm3になります。同等グレードのフィルム・コンデンサTDK B32678シリーズを使用して、全体的な静電容量と電圧定格を同じにするには、1600cm3の合計容量で16個を並列に接続させる必要があり、サイズ差は実に約30倍となります。

ライドスルーが要件でなくても、EV用途のように、400VDCバスでのリップル電圧を最小にするためにコンデンサを使用する場合、その標準値は、最大リップル電圧4V rmsのダウンストリームの20kHzコンバータから得られるリップル電流(Irms)により、80A rms程度になります。静電容量Cの概算値は次のように計算できます。

この結果から、μFあたり20mA定格のコンデンサについて一定の経験則が得られます。TDK B43508シリーズには、180μF、450V定格で、周波数補正係数を含め、リップル電流定格が60℃で3.5A rmsの小型で低コストのコンデンサがありますが、80Aのリップル電流に対して23台を並列させることで、4140μFの合計容量と約621cm3が不要になるため、パッキングの妥当性が低下します。

各コンデンサのESRは3.5A rmsで約1Ωであり、それぞれ約10W損失します。TDK B32678シリーズのフィルム・コンデンサの場合は、4つを並列させることで合計160μF、450Vによって132A rmsが得られ、容量は402cm3になります。

コンデンサのESRは2.5mΩで、それぞれの損失は1Wです。ここでは損失が少なく、過電圧に対する耐性が高いため最適な容量が得られ、4140μFよりも、エネルギーの突入が少ないことから、逆にフィルム・コンデンサが適切な選択肢になります。フィルム・コンデンサは終端が容易なリード線付きボックス・スタイルであり、必要な数は4つだけで済みます。

コンデンサについては、物理的な容積や損失よりもコストのほうが大きな決定要因になる場合があります。そこで2台の同じTDKシリーズのコンデンサを使用して、ジュール単位のエネルギー貯蔵量と、アンペア単位のリップル電流定格を比較してみます。

約180μF 450V定格の高レベルのサービス提供元[3]によるデータによれば、エネルギー貯蔵のコストは、Al電解タイプでは約0.47ドル/ジュール、フィルム・タイプでは3ドル/ジュールになります。リップル電流については、Al電解タイプは2.68ドル/アンペア、フィルム・タイプは0.42ドル/アンペアです。これは、約6:1のコスト上の優位が、特定用途の要件に応じて逆転する場合があることを示しています。大容量の場合は、コストの絶対値は低くなりますが、比率は同等です。

スナバとしてのフィルム・コンデンサ

電力変換でコンデンサが有効な用途としては、「緩衝」も挙げられます。これは、スイッチング波形の切り替えを意図的に遅らせて、EMIと半導体のストレスを軽減させるものです(図6)。ここで最も重要になるのが、高いrms電流がコンポーネントに流入する、高い電圧変化率(dV/dt)に対するコンデンサの耐性です。ここでも、特に金属化が両面で行われ、金属箔と組み合わせて高電流に対応する場合には、ポリプロピレンが適しています。通常この用途向けのコンデンサは、ACにおける低インピーダンスに対するインダクタンス終端が非常に低く、高電圧に対する耐性が高いため、ピーク電圧が予測できない場合にも対処します。

電力フィルタとしてのフィルム・コンデンサ

多くの場合、フィルタリングは信号レベルの機能であると見なされていますが、特にインバータやモータ・ドライブでは、出力コンデンサから高リップル電流が送出され、ストレスEMIの原因となるケーブルでの高dV/dt値を抑制します(図7)。負荷にACが流れるため、コンデンサは無極性であることが必要で、Al電解タイプは使用できません。コンデンサを導入する環境は過酷な場合が多いことから、ポリプロピレン・コンデンサの堅牢性、リップル定格、体積効率が必要になります。

EMIフィルタ

フィルム・コンデンサは、電力線用EMIフィルタで広範に使用されています。それはフィルム・コンデンサのリップル電流定格よりも、過渡電圧に対する自己修復特性が重視されるためです(図8)。安全性審査機関ではポリプロピレン・コンデンサは一般的に「X1」または「X2」と評価され、それぞれ4kVおよび2.5kVに耐性があり、EMI規格に適合するμF値が得られます。コモン・モード放射を減衰させるline-to-groundのコンデンサは8kVおよび5kV定格の「Y1」および「Y2」タイプですが、回線のリーク電流の値によって制限を受けます。こうしたEMIフィルタリング用途では、自己インダクタンスが低い一般的なフィルム・コンデンサが優位であり、自己共振を高く維持できます。

結論

フィルム・コンデンサは、パワー・エレクトロニクス分野でさまざまな用途に利用でき、特に高いリップル電流定格が要求される場合、または過電圧ストレスが生ずる環境では、ポリプロピレン・タイプが適しています。フィルム・タイプとアルミニウム電解タイプのCV定格を比較した場合、詳細な分析によれば、単純なエネルギー貯蔵にはAl電解タイプが適していますが、実際にコンポーネントを選択する際には、フィルム・タイプが適している場合もしばしば見受けられるため、リップル電流定格や信頼性も考慮に入れる必要があります。

2019-12-09 16:54:03