今週は、DCリンクコンデンサにおいて電解コンデンサの代わりにフィルムコンデンサを使用する方法について分析します。この記事は2部構成となっています。
新エネルギー産業の発展に伴い、可変電流技術が広く用いられるようになり、DCリンクコンデンサは選定すべき主要デバイスの一つとして特に重要視されています。DCフィルタのDCリンクコンデンサは、一般的に大容量、高電流処理、高電圧などが求められます。フィルムコンデンサと電解コンデンサの特性を比較し、関連する用途を分析した結果、本稿では、高動作電圧、高リップル電流（Irms）、過電圧要件、電圧反転、高突入電流（dV/dt）、長寿命が求められる回路設計において、フィルムコンデンサが優れていると結論付けています。金属蒸着技術とフィルムコンデンサ技術の発展に伴い、将来的にフィルムコンデンサは性能と価格の面で電解コンデンサに取って代わるトレンドとなるでしょう。
各国における新たなエネルギー関連政策の導入と新エネルギー産業の発展に伴い、この分野の関連産業の発展に新たな機会がもたらされています。そして、上流の重要な関連製品産業であるコンデンサも、新たな発展の機会を得ています。新エネルギーおよび新エネルギー車において、コンデンサはエネルギー制御、電力管理、パワーインバータ、DC-AC変換システムの主要コンポーネントであり、コンバータの寿命を左右します。しかし、インバータでは、入力電源としてDC電源が使用され、DCバスを介してインバータに接続されます。このDCバスはDCリンクまたはDCサポートと呼ばれます。インバータはDCリンクから高い実効値およびピークパルス電流を受け取るため、DCリンクに高いパルス電圧が発生し、インバータが耐えることが困難になります。したがって、DCリンクコンデンサは、DCリンクからの高いパルス電流を吸収し、インバータの高いパルス電圧変動を許容範囲内に抑えると同時に、DCリンクの電圧オーバーシュートや過渡過電圧によるインバータへの影響も防ぎます。
図1および図2に、新エネルギー（風力発電および太陽光発電を含む）および新エネルギー車のモータ駆動システムにおけるDCリンクコンデンサの使用の概略図を示す。
図 1 は風力発電コンバータ回路のトポロジーを示しており、C1 は DC リンク (一般的にモジュールに統合)、C2 は IGBT 吸収コンデンサ、C3 は LC フィルタ (ネットワーク側)、C4 はロータ側 DV/DT フィルタです。図 2 は PV 電力コンバータ回路の技術を示しており、C1 は DC フィルタ、C2 は EMI フィルタ、C4 は DC リンク、C6 は LC フィルタ (グリッド側)、C3 は DC フィルタ、C5 は IPM/IGBT 吸収コンデンサです。図 3 は新エネルギー車システムの主モータ駆動システムを示しており、C3 は DC リンク、C4 は IGBT 吸収コンデンサです。
上述の新しいエネルギー応用分野において、DCリンクコンデンサは重要なデバイスとして、風力発電システム、太陽光発電システム、新エネルギー車システムなどにおいて高い信頼性と長寿命が求められるため、その選定は特に重要です。以下では、フィルムコンデンサと電解コンデンサの特性を比較し、DCリンクコンデンサ用途におけるそれらの特性を分析します。
1.機能比較
1.1 フィルムコンデンサ
まず、薄膜金属化技術の原理について説明します。薄膜媒体の表面に、十分に薄い金属層を蒸着します。媒体に欠陥が存在する場合、この層は蒸発し、欠陥箇所を隔離して保護します。これは自己修復と呼ばれる現象です。
図4は、金属化コーティングの原理を示しています。薄膜媒体は、蒸着前に前処理（コロナ放電など）され、金属分子が付着します。金属は、真空下で高温（アルミニウムの場合は1400℃～1600℃、亜鉛の場合は400℃～600℃）で溶解して蒸着され、冷却されたフィルム（フィルム冷却温度-25℃～-35℃）に接触すると、金属蒸気がフィルム表面に凝縮し、金属コーティングが形成されます。金属化技術の発展により、単位厚さあたりのフィルム誘電体の絶縁耐力が向上し、パルス放電用途のドライ技術コンデンサの設計では500V/µm、DCフィルタ用途のコンデンサの設計では250V/µmに達します。DCリンクコンデンサは後者に属し、電力電子機器用途のコンデンサに関するIEC61071によれば、より厳しい電圧ショックに耐えることができ、定格電圧の2倍に達することができます。
したがって、ユーザーは設計に必要な定格動作電圧のみを考慮すればよい。メタライズドフィルムコンデンサはESRが低いため、より大きなリップル電流に耐えることができ、ESLが低いため、インバータの低インダクタンス設計要件を満たし、スイッチング周波数での発振効果を低減する。
金属化コンデンサの自己修復特性は、フィルム誘電体の品質、金属化コーティングの品質、コンデンサの設計、および製造プロセスによって決まります。DCリンクコンデンサの製造に使用されるフィルム誘電体は、主にOPPフィルムです。
第1.2章の内容は来週の記事に掲載されます。
投稿日時：2022年3月22日