今週は先週の記事の続きをお届けします。
1.2 電解コンデンサ
電解コンデンサに使用される誘電体は、アルミニウムの腐食によって形成される酸化アルミニウムであり、誘電率は8～8.5、動作絶縁耐力は約0.07V/A（1µm=10000A）です。しかし、このような厚さを実現することは困難です。アルミニウム層の厚さが増すと、良好な蓄電特性を得るためにアルミニウム箔をエッチングして酸化アルミニウム膜を形成する必要があり、表面に多くの凹凸が生じるため、電解コンデンサの容量係数（比容量）が低下します。一方、電解質の抵抗率は、低電圧で150Ωcm、高電圧（500V）で5kΩcmです。電解質の抵抗率が高いため、電解コンデンサが耐えられる実効電流は制限され、通常は20mA/µF程度になります。
これらの理由から、電解コンデンサは一般的に最大電圧450V（一部のメーカーは600V）で設計されています。したがって、より高い電圧を得るには、コンデンサを直列に接続する必要があります。しかし、各電解コンデンサの絶縁抵抗が異なるため、直列接続された各コンデンサの電圧をバランスさせるために、各コンデンサに抵抗を接続する必要があります。さらに、電解コンデンサは極性のあるデバイスであり、印加される逆電圧がUnの1.5倍を超えると、電気化学反応が発生します。印加される逆電圧が十分に長いと、コンデンサが放電します。この現象を回避するために、使用時には各コンデンサの隣にダイオードを接続する必要があります。また、電解コンデンサのサージ電圧耐性は一般的にUnの1.15倍ですが、良質なものではUnの1.2倍に達することもあります。したがって、設計者は、使用時に定常動作電圧だけでなくサージ電圧も考慮する必要があります。まとめると、フィルムコンデンサと電解コンデンサの比較表は次のようになります（図1参照）。
2. アプリケーション分析
フィルタとしての DC-Link コンデンサには、高電流・大容量設計が求められます。図 3 に示す新エネルギー車のメイン モータ駆動システムがその例です。この用途では、コンデンサはデカップリングの役割を果たしており、回路は高動作電流を特徴としています。フィルム DC-Link コンデンサは、大きな動作電流 (Irms) に耐えられるという利点があります。50～60kW 新エネルギー車のパラメータを例にとると、動作電圧 330 Vdc、リップル電圧 10Vrms、リップル電流 150Arms@10KHz となります。
最小電気容量は次のように計算されます。
これはフィルムコンデンサの設計において容易に実装できます。電解コンデンサを使用する場合、20mA/μFを考慮すると、上記のパラメータを満たすための電解コンデンサの最小静電容量は次のように計算されます。
この静電容量を得るには、複数の電解コンデンサを並列接続する必要があります。
ライトレール、電気バス、地下鉄などの過電圧アプリケーションでは、これらの電源はパンタグラフを介して機関車のパンタグラフに接続されているため、輸送中はパンタグラフとパンタグラフの接触が断続的になります。両者が接触していないときは、電源はDCリンクコンデンサによって供給され、接触が回復すると過電圧が発生します。最悪のケースは、切断時にDCリンクコンデンサが完全に放電し、放電電圧がパンタグラフ電圧と等しくなり、接触が回復すると、結果として生じる過電圧は定格動作電圧Unのほぼ2倍になります。フィルムコンデンサの場合、DCリンクコンデンサは追加の考慮なしで処理できます。電解コンデンサを使用する場合、過電圧は1.2Unです。上海地下鉄を例にとると、Un=1500Vdcで、電解コンデンサの場合、考慮する電圧は次のようになります。
次に、6個の450Vコンデンサを直列に接続します。フィルムコンデンサ設計を使用すれば、600Vdcから2000Vdc、あるいは3000Vdcまで容易に実現できます。さらに、コンデンサが完全に放電した場合、2つの電極間に短絡放電が発生し、DCリンクコンデンサを通して大きな突入電流が発生します。これは、通常、要求を満たすために電解コンデンサとは異なります。
さらに、電解コンデンサと比較して、DC-Linkフィルムコンデンサは非常に低いESR（通常10mΩ未満、さらに低い場合は1mΩ未満）と自己インダクタンスLS（通常100nH未満、場合によっては10または20nH未満）を実現するように設計できます。これにより、DC-Linkフィルムコンデンサを適用時にIGBTモジュールに直接取り付けることができ、バスバーをDC-Linkフィルムコンデンサに統合できるため、フィルムコンデンサを使用する際に専用のIGBT吸収コンデンサが不要になり、設計者は大幅なコスト削減を実現できます。図2および図3は、C3AおよびC3B製品の一部に関する技術仕様を示しています。
3．結論
初期の頃は、コストとサイズの制約から、DCリンク用コンデンサは主に電解コンデンサが使われていた。
しかし、電解コンデンサは耐電圧と耐電流能力の影響を受けやすく（フィルムコンデンサに比べてESRがはるかに高い）、大容量化と高電圧使用の要件を満たすためには、複数の電解コンデンサを直列および並列に接続する必要があります。さらに、電解液の揮発性を考慮すると、定期的に交換する必要があります。新エネルギー用途では一般的に15年の製品寿命が求められるため、この期間中に2～3回交換する必要があります。したがって、機器全体のアフターサービスにはかなりのコストと不便が生じます。金属化コーティング技術とフィルムコンデンサ技術の発展により、安全フィルム蒸着技術を用いて、極薄OPPフィルム（最も薄い2.7µm、さらには2.4µm）で450Vから1200V、あるいはそれ以上の電圧の大容量DCフィルタコンデンサを製造することが可能になりました。一方、DCリンクコンデンサをバスバーに統合することで、インバータモジュールの設計がよりコンパクトになり、回路の浮遊インダクタンスが大幅に低減され、回路の最適化が可能になります。
投稿日時：2022年3月29日