ワイドバンドギャップ半導体用の革新的な電力用コンデンサ技術

パワーエレクトロニクスの分野では、従来のシリコン素材の半導体が窒素ガリウム（GaN）および炭化ケイ素（SiC）素材のワイドバンドギャップ（WBG）技術により徐々に置き換えられています。これにより受動素子、特にDCリンクコンデンサに対する要求性能は大幅に厳しくなっています。TDKは、極めて優れた素材技術と設計技術により、新しい半導体の利点を最大限に活かせる革新的なソリューションを提供します。

WBG半導体には、電源やコンバータなどのパワーエレクトロニクスのスイッチング・アプリケーションにおいて、3桁kHzのスイッチング周波数範囲で作動できる利点があります。同時に、パルスエッジが急勾配であるため、エネルギー効率により優れています。フィルムコンデンサは、その高いスイッチング周波数により、DCリンクコンデンサとして高い性能を求められています。。リード長、つまり寄生インダクタンスを最小限に抑えるために、コンデンサはバスバーによりWBGモジュールへ直接接続されます。そこで問題となるのは、WBG半導体が高いバリア終端温度で使用されるため、それがバスバーを介してDCリンクコンデンサへ伝わる可能性があることです。しかし、二軸延伸ポリプロピレン（BOPP）誘電体を用いた従来のフィルムコンデンサの上限動作温度は、わずか105 °Cです。

図 1:

左）高い機械的安定性：新しいCOC-PP素材は、最高130 °Cの温度でも幅方向に収縮しません。（右）デレーティング特性の向上：新しい素材の電圧ディレーティングは、はるかに優れています。

新しい誘電体による高温アプリケーションの実現 

TDKは、高温でも連続使用できる誘電体の開発に成功しました。これは2つの基本的な素材を組み合わせることで実現されています。1つは、フィルムでの処理に理想的な半結晶ポリプロピレン、もう1つは、高温に耐えられる非結晶環状オレフィンコポリマー（COC）です。結果として得られる誘電体（COC-PP）は、ディレーティングが非常に低いため125 °Cを超える温度で使用できると同時にBOPPの優れた自己回復特性を維持します。また、わずか3 µmの超薄型フィルムも生産できます。図1は、従来の BOPPと比較して大幅に向上したCOC-PPの収縮およびディレーティング特性を示しています。

優れた性能

図 2:

50 kHzの周波数は、両方の内部素子で非常に不均一な電流分布、つまり損失を生み出します。

フィルムコンデンサは、すべてのコンデンサと同様、抵抗成分と容量成分の直列接続である複雑なESRを備えています。そのため、周波数に依存した抵抗が発生し、周波数の上昇とともに抵抗が急上昇します。この上昇は、基本的に不均一なインピーダンス、表皮効果、および素子の巻回構造が原因で生じ、それが好ましくない共振および電磁界効果につながります。その結果、コンデンサが加熱します。これは、特にコンデンサの内部が複数の素子構造となっている場合に悪影響をもたらします。さらに、図2が示すように、内部の異なるリード長および他の要因により、個々の内部素子間で明らかな周波数依存の電流分布をもたらします。

TDKは、CADおよびFEA（有限要素解析）シミュレーション・ソフトウェアを用いて最適な内部設計のHF（高周波）電力用コンデンサを開発しました。これらコンデンサは、ESRを最小限に抑えることにより、WBG半導体が作動する高い周波数と温度において損失を減らし高性能を実現します（図3）。

図 3:

100A_rmsでのAC損失：新しいHF電力用コンデンサは、従来のコンデンサと比較して、高い周波数で電力損失を劇的に減らします。

図 4:

新しいHF電力用コンデンサは、WBG半導体の個別要求仕様に合わせて設計、製造されています。

新しいB25640* シリーズのHF電力用コンデンサ（図4）は、SiC半導体専用に製造されています。このコンデンサは、定格電圧が700～2200 V DC、容量値が370～2300 µFであり、電車、産業用モータドライブ、および再生エネルギー・アプリケーション用の新世代コンバータに適しています。また、このコンデンサは、COC-PP誘電体を備えているため、最高125 °Cの温度で電圧ディレーティングなしに作動できます。新しいコンデンサの1つの大きな利点は、ESLの値がわずか10 nHと非常に低いことです。つまり、電流が大きく急速に切り替わっても、電圧オーバシュートは非常に低い状態を保ち、ほとんどの場合はスナバコンデンサも不要です。