パワーコンバータの設計に適したDCリンクコンデンサの選択

直流（DC）リンクコンデンサは、多くのアプリケーションで重要な部品です。電気自動車（EV）のモータドライブ用3相インバータ、太陽光発電や風力発電のインバータ、産業用モータドライブ、車載用オンボード充電器、医療機器や産業用機器の電源などで使用されています。最新の開発状況を常に把握しておくことが重要です。適切に実装されていない場合、DCリンクコンデンサは、エネルギー密度と信頼性を低下させる「弱点」となる可能性があります。

設計者にとって残念なのは、急速に進歩している半導体技術とは異なり、コンデンサ技術の進歩は遅く、見過ごされる場合があることです。このような課題に加えて、様々なコンデンサの技術は進歩のスピードが異なるという現状があります。アルミ電解コンデンサ技術は成熟しており、進化のスピードが緩やかであるのに対し、フィルムコンデンサや積層セラミックコンデンサ（MLCC）技術は急速に進歩しています。アルミ電解コンデンサは、フィルムコンデンサやMLCCに比べて単位体積当たりの容量が大きく、エネルギー密度も高いのが一般的ですが、そのトレードオフは固定されていません。

たとえば、パワースイッチをより高周波数のデバイスにアップグレードすることは、これまでのDCリンクコンデンサの選択を再検討する良い機会となるでしょう。このようなアップグレードには、IGBTをMOSFETに置き換えたり、シリコンデバイスをワイドバンドギャップ（WBG）パワースイッチに置き換えたりすることが挙げられます。DCリンクコンデンサの技術は、それぞれ独自の機能を持っています（図1）。

図1：DCリンクコンデンサの比較では、主要技術の電圧対容量を示しています。TDKのCeraLinkコンデンサは、DCリンクアプリケーション向けに最適化されたMLCCです。（画像提供：TDK Corporation）

DCリンクコンデンサの中で最も一般的なのは、アルミ電解コンデンサです。エネルギー密度が高く、かつ低コストです。産業用のモータドライブや無停電電源（UPS）、民生用、商業用、産業用の様々なアプリケーションによく使用されています。しかし、比較的寿命が短く、低周波動作であることから、要求の厳しいアプリケーションではアルミ電解コンデンサは考慮されません。

フィルムコンデンサは、電気自動車のトラクションドライブなど、要求の厳しいアプリケーションのDCリンク素子としてよく使用されています。フィルムコンデンサは、アルミ電解コンデンサに比べて、信頼性が高く、大電流を流すことができ、等価直列抵抗（ESR）が小さく、高い周波数で使用することができます。しかし、フィルムコンデンサはアルミ電解コンデンサと同様に、動作温度が105°C程度と比較的低いです。

MLCCは3つ目の選択肢です。これらのコンデンサは、他のコンデンサに比べて、高い二乗平均平方根（rms）電流定格を持ち、高温に耐えることができます。一方で、一定のエネルギー密度を得るためには、比較的多くのMLCCを必要とするため、均等な電流分布を確保するためのコンデンサレイアウトの実現が難しいという欠点があります。また、MLCCには信頼性の問題が起こる可能性があります。セラミック誘電材料は剛性が高く、機械的/熱的ストレスによりクラックが発生し、端子間が短絡することがあります。

明らかに、すべてのDCリンクアプリケーションに対応する「完璧な」コンデンサ技術は存在しません。プロジェクトに最適な設計ソリューションに到達するには、最新の技術や製品開発を検討する必要があります。ここでは、Cornell Dubilier Electronicsのアルミ電解コンデンサ、KEMETのフィルムコンデンサ、TDK CorporationのMLCCなど、代表的なデバイスのトレードオフと機能を考えてみましょう。

高リップル設計向けのアルミ電解コンデンサ

高リップル電流のアプリケーションには、Cornell Dubilier Electronicsの381LRシリーズを使用することができます。このシリーズは、200～450Vdc、56～2,200マイクロファラッド（μF）の定格です。 また、標準の105°Cスナップインアルミ電解コンデンサと比較して、少なくとも25%以上のリップル電流を扱うことができます（図2）。最近の電解質の進歩により、低ESRを実現し、リップル電流にも対応しています。これは、モータドライブ、無停電電源（UPS）、その他の高リップル電流アプリケーションにおいて、少ない数のコンデンサで済むことを意味します。

図2：381LRアルミ電解コンデンサは、200～450V DC、56～2,200µFの定格です。（画像提供：ジェフ・シェパード。Cornell Dubilier Electronics提供の原資料に基づく）

車載用トラクションドライブ用フィルムコンデンサ

車載用トラクションドライブなど、過酷な環境に対応するシステムを設計する場合は、KEMETのDCリンクC4AKフィルムコンデンサが適しています。このフィルムコンデンサは、125°Cで4000時間、135°Cで1000時間の寿命を実現します（図3）。これらの薄型デバイスは、コンパクトなシステム設計向けに設計されています。プリント基板実装用のラジアルボックス形式を採用しています。少ない数のコンデンサを並列に接続することで、ピーク電流やリップル電流に対応することができます。

図3：KEMETのDCリンクC4AKフィルムコンデンサシリーズは、125°Cで4000時間、135°Cで1000時間の寿命を実現します。（画像提供：KEMET）

C4AK DCリンクコンデンサは、高周波、大電流のEVシステムのパワーコンバータ、太陽光発電や燃料電池のインバータ、エネルギー貯蔵システム、ワイヤレス電力伝送、その他の産業アプリケーション向けに設計されています。

高速WBG半導体用MLCC

WBGを使用する場合、TDK CorporationのCeraLink FA（フレックスアセンブリ）ファミリが適切なソリューションを提供する可能性があります。このファミリには、0.25µF～10µFの静電容量値と、500～900V DCの定格電圧が含まれます。たとえば、B58035U9255M001は、2.5μF、900Vの定格です（図4）。CeraLinkファミリの各種デバイスは、DCリンクコンデンサとして最適化されており、以下のような特長があります。

• 1cm立方（cm³）あたり2～5μFの静電容量密度
• 2.5～4ナノヘンリー（nH）の低自己インダクタンス
• 短期間で最高+150°Cまでの使用温度で、半導体パワーデバイスに近接して設置可能
• 電圧スルーレート（dV/dt）に制限なし

図4：B58035U9255M001は、TDK CorporationのCeraLink FAファミリの製品で、2.5μF、900V定格のスタックMLCCです。（画像提供：TDK Corporation）

FAファミリ コンデンサは、幅9.1mm、高さ7.4mmで、長さは6.3mm、9.3mm、30.3mmの3種類があります。最大47A rmsのリップル電流に対応しています。

まとめ

DCリンクコンデンサの選択は、パワーコンバータの設計において重要です。前述のように、様々な選択肢が考えられますが、選択肢は変わる可能性があります。誤った選択をすると、パワーコンバータが期待に応えられない、または価格が高すぎるといった結果になります。誤った選択をしないためには、DCリンクコンデンサの技術や製品の最新動向を把握しておく必要があります。