パワーエレクトロニクス用コンデンサの最新技術動向

当社はコンデンサ事業においてパワーエレクトロニクス分野に注力し、太陽光発電、風力発電やEV、HV、車両そして産業機器や家電向けインバータ用途などを中心に高い技術力と信頼性を強みに販売拡大に取り組んでいる。また、当社はそれらの市場に対してアルミ電解コンデンサとフィルムコンデンサの両方を開発、量産することができ、お客さまのご要求に応じてそれぞれの技術・製品を提供している。パワーエレクトロニクス分野に向けたアルミ電解コンデンサとフィルムコンデンサの最新技術動向について解説する。

【パワーエレクトロニクス用アルミ電解コンデンサ】

今日の社会インフラにおいては、エネルギーの効率運用が重要視されており、パワーエレクトロニクス装置のインバータ化は必須条件となっている。インバータ化によるシステムの高効率化・省エネルギー化に合わせて、使用される部品にも小形化・高耐電圧化の要求が高まってきている。インバータ電源等の制御回路に使用するアルミ電解コンデンサにおいても、小形化・高耐電圧化・長寿命化の要求が増加している。特に太陽光発電用や風力発電用など、再生可能エネルギー関連分野においては高耐電圧化の要求が強い。また、ＡＣサーボモータ用などでは急激な充放電が繰り返されるため、高い信頼性が求められる。

パワーエレクトロニクス分野における各種産業機器からの部品性能向上要求に対して、当社は「高耐電圧化」「高リプル化」「耐充放電性能強化」を主体に開発を行ってきており、その具体例として、昨年ラインアップを拡充した「ＮＵシリーズ」【図１】について解説する。

【図１】ネジ端子形アルミ電解コンデンサ「NUシリーズ」

ＮＵシリーズはネジ端子形105℃保証 高耐電圧小形化品で、開発ポイントとしては、①高耐電圧酸化皮膜を擁する電極箔の採用、②長期安定性があり高電圧下での酸化皮膜修復能力を高めた電解液の採用、③高耐電圧でありながら低密度な電解紙の採用、④放熱性を高めた構造の採用、によりネジ端子形105℃保証標準品であるＮＴシリーズ に対して、高耐電圧化（定格電圧：525V）・長寿命化（5000時間保証）を実現した。同時に小形化も実現しており，定格電圧500V品で比較すると約20～30%の小形化となり、機器の小形化・軽量化にも貢献する。また、負荷変動の激しい産業機器用途において高い評価を得ている高速充放電対応技術も取り入れており、短時間で急激な充放電を繰り返すＡＣサーボモータなどの用途にも対応可能となっている。
標準品よりも定格電圧を高めたことにより、入力電圧が変動するような電源電圧事情の悪い地域向けの電源平滑用として幅広く活用できることや、システムの要求電圧に対応するために、複数個のアルミ電解コンデンサを直列接続して使用する場合などでは員数の削減が可能となり、サイズ・コストを抑えた回路設計に最適である。

ＮＵシリーズの主な要素技術は以下となる。

（１）小形化
高電圧高容量に最適なエッチングピットの形成と高信頼で高耐電圧の酸化皮膜生成による、高信頼高容量電極箔を採用。

（２） 放熱構造（コンパウンドレス構造）
ネジ端子形アルミ電解コンデンサの素子固定方法として、従来は熱可塑性樹脂などの固定材を使用していたが、リブ構造にて素子を固定するコンパウンドレス構造を採用。コンパウンドレス構造により放熱効率が大幅に向上したため、リプル電流印加時の素子温度上昇の低減が可能となった。

（３） 低ＥＳＲ化
従来、繊維径が比較的大きい電解紙の使用が一般的だったが、繊維径が小さく低密度の電解紙を採用することによってコンデンサの発熱を低減した。また、電極の引き出しリードタブ枚数を増やすことにより、電極箔内の抵抗を低減させて低ＥＳＲ化を図っている。

（４） 高速充放電対応～保護箔構造（関連特許３件取得）
ＡＣサーボアンプ用途など、電圧変動（ΔＶ）が大きく、周期が短い充放電負荷が加わると、短時間で故障に至る問題があるが、当社特許技術である「保護箔構造」によりこの弱点を完全解消。この技術は、パワーエレクトロニクス産業機器のインバータ化に伴い各種電源やサーボアンプの他、インバータエアコンなど負荷が厳しく、高い信頼性が求められる用途に向けて、不可欠な性能として重要性が拡大している。

【パワーエレクトロニクス用フィルムコンデンサ】

フィルムコンデンサにおいては、近年ではEV、HVや、太陽光発電、風力発電といった省エネルギー分野での需要が高まっており、最新技術動向の一端を紹介する。

＜フィルムコンデンサの特長＞

フィルムコンデンサは誘電体として厚さ数μmのプラスチックフィルムを用いたもので、パワーエレクトロニクス分野では主としてポリプロピレンフィルムに金属を蒸着して内部電極とする蒸着金属タイプ(メタライズドフィルム)が使用されており、下記に示すような優れた電気的特性、安全性、高信頼性が特長である。

1. 温度変化に対して静電容量変化が小さい
2. 耐電圧性能に優れ、高電圧用途に最適
3. 低損失のため、省エネルギー化が可能
4. シャープな高周波特性を示し、フィルタ効果に優れる
5. リプル電流耐量が高く、単位体積あたりの電流密度が大きく取れる
6. 自己回復機能(セルフヒーリング)を有し、安全性に優れる
7. 高温環境下で10年以上メンテナンスフリー

従来、ポリプロピレンフィルムを使用したフィルムコンデンサは、電気的特性に優れる反面、小形化が困難で単位体積あたりの静電容量が得にくいことから、一部の用途に限られて使用されてきたが、現在ではフィルムの薄膜化、蒸着技術の向上により、パワーエレクトロニクス用途において、需要が急速に高まっている。

＜EV、HV用途＞

近年、EV、HV用途においては、モータ駆動システムの高出力および高効率化を実現するために高電圧化が進んでおり、主に平滑コンデンサ用途として、高耐電圧、低損失、高許容リプル電流といった優れた電気特性を有するフィルムコンデンサが採用されている。【図２】

【図２】HV用フィルムコンデンサ

今後のEV、HVの普及に伴い、システムの低コスト化・小形化が不可欠とされている中、フィルムコンデンサにおいても、小形化、高リプル電流対応、高温度化といった性能改善が要求されており、誘電体フィルムの薄膜化による小形化、蒸着技術開発による高耐電圧化・低ESR化、さらなる信頼性向上、材料開発・最適構造による放熱性向上といった開発が必要となっている。

＜太陽光発電、風力発電用途＞

太陽光発電、風力発電などの再生可能エネルギー分野や汎用インバータなどの産機分野では、長寿命・高信頼の直流フィルタ用コンデンサが強く求められており、こうしたニーズに応え今回、直流フィルタ用円筒形フィルムコンデンサ「ＥＲシリーズ」【図３】を開発した。

【図３】直流フィルタ用円筒形フィルムコンデンサ「ERシリーズ」

円筒形フィルムコンデンサは、外装ケースにアルミを採用することで、接地対応と共に、放熱性も向上させることが可能となった。また、単一の大形素子で構成しており、従来の同定格のコンデンサと比較し、価格対応・短納期が可能となった。

当社は、アルミ電解コンデンサとフィルムコンデンサの持つそれぞれの特長を活かし、さまざまな分野のお客様からの要求仕様にワンストップで開発、生産対応することができ、好評を得ている。

ニチコン株式会社
2014年1月30日付　電波新聞掲載