効率的で信頼性が高く持続可能なEV充電器を実現するためのコンデンサの選択と適用方法
著者 Jeff Shepard(ジェフ・シェパード) 氏
DigiKeyの北米担当編集者の提供
2023-03-16
マルツ掲載日：2023-06-26
電気自動車(EV)用の充電器にはさまざまな電圧とパワーレベルがありますが、いずれもコンデンサを使用して、DC入力フィルタリング、DCリンク、AC高調波フィルタリング、DC出力フィルタリングなどの機能を実行します。一部の設計では、スーパーキャパシタは蓄電池やソーラーインバータと組み合わせて使用されています。
電気自動車の充電器は屋外など過酷な環境に置かれることが多いため、設計者はまずコンデンサの性能プロファイルを決定し、要求される信頼性特性を満たすために適切なコンデンサタイプを選択することが求められます。
設計者は、コンデンサが物理的に頑丈で、広い動作温度範囲と長い動作寿命を保証する必要があります。コンデンサは、小型であること、大きなリップル電流に対応し、過熱や性能劣化を起こさないことが求められ、AEC-Q200の電気的/機械的要件だけでなく、国際電気標準会議(IEC)61071の性能要件、一部はANSI/IEEE Standard 18に適合する必要があります。
これらの回路用途の多様なニーズに応えるため、設計者はパワーフィルムコンデンサ、アルミ電解コンデンサ、スーパーキャパシタなど、低インダクタンス設計、高リップル定格電流、高温動作、自己修復機能、IEC61071を満たすAEC-Q200認定、低等価直列抵抗(ESR)のコンデンサを含む多様なコンデンサ技術で対応します。
この記事では、各種充電レベルの定義と、それに基づく太陽光発電インバータ用コンデンサの回路用途について概説します。そして、さまざまなEV充電器の設計に適した Cornell Dubilier Electronics の入力フィルタリング、パワーフィルムDCリンク、AC高調波フィルタリング、出力フィルタリングコンデンサおよびスーパーキャパシタの例と、これらのコンデンサのプリント基板への組み込み、バスバーへの取り付け、適切な設計を保証するための絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)モジュールへ直接接続するためのパッケージオプションをあわせて紹介します。
EV充電レベルおよび要件
EVの充電レベルには、次の3種類があります。レベル1の住宅用充電器は120V交流電源(VAC)、レベル2の住宅用および公共用充電器は208/240VAC電源、レベル3の商用および公共用充電器はDC急速充電とスーパーチャージ用に400～900Vの直流電源(VDC)が供給されます。レベル1やレベル2の充電器の中には、ソーラーインバータや蓄電池を利用したものもあります。
一般的になってきた太陽光発電によるレベル1、レベル2充電器には、直流-直流(DC-DC)コンバータと直流-交流(DC-AC)インバータがあります。そのため、図1に示すタイプをはじめ、AEC-Q200やIEC61071規格に準拠した過酷な電気条件下での使用を想定したさまざまな高性能コンデンサが必要とされています。
・DC入力フィルタとDCリンクコンデンサ
これらの充電器には、中電力アプリケーション用に最適化された低インダクタンスDC入力フィルタとDCリンクコンデンサが必要です。コンデンサは1F以上のものを使用し、等価直列抵抗(ESR)を低くして内部発熱を抑えることが有効です。
・AC出力フィルタコンデンサ
IGBTベースのスイッチモードパワーインバータは、高次高調波成分とTHD(高調波歪み)を生成する可能性があり、AC出力フィルタコンデンサを使用してフィルタリングする必要があります。十分にフィルタリングされていない場合、高調波は出力AC波形を歪ませる可能性があります。
・スーパーキャパシタ
スーパーキャパシタの追加は、レベル1とレベル2のソーラー式充電器において特に有効で、比較的小さなソーラーパネルが雲に遮られることによる日射量の変化によって出力電力に山と谷が生じるのをシステムが対応できるように支援します。これらのシステムでは、ピーク電力と平均電力の比率が、バッテリのみのシステムに対抗することができます。スーパーキャパシタと電池を組み合わせることで、より高い電力密度を持つシステムを実現することができます。
図1：太陽光発電のインバータEV充電器には、さまざまなコンデンサやスーパーキャパシタが必要です。(画像提供：Cornell Dubilier Electronics)
また、AC-DC電力変換を行うレベル3のDC急速充電器の設計においても、コンデンサは重要な役割を担っています。レベル1やレベル2の充電器と同様に、DC急速充電器にもDCリンクコンデンサが必要です。DC急速充電器のDCリンクコンデンサは高パワーデバイスであり、通常、より高い定格電圧になっています。また、レベル3充電器には、AC入力フィルタコンデンサとDC出力フィルタコンデンサが必要です(図2)。
・AC入力フィルタ用コンデンサ
高パワーレベルに対応するため、これらのコンデンサは低パワー用に設計されたコンデンサとはパッケージが異なることがよくあります。例えば、レベル1やレベル2の充電器の低電力フィルタリングコンデンサは、プリント基板やはんだ付け可能なピンに素早く取り付けるためのスナップイン端子を持っていますが、レベル3のDC急速充電器に使用されるコンデンサは、ハイパワーバスバーに直接取り付けるネジ端子を持っていることが多いです。レベル3充電器の入力コンデンサは、ANSI/IEEE Standard 18を満たすことが要求される場合があります。
・DC出力フィルタコンデンサ
レベル1、レベル2のソーラー式充電器のAC高調波フィルタコンデンサと同様の機能を持つコンデンサです。充電器のDC-DC IGBTスイッチング段で発生する過渡現象を吸収し、高調波電流をフィルタにかけて、出力電圧を平滑化するフィルタです。このコンデンサには、低ESRと高リプル電流性能の両方が必要です。
図2：グリッドパワー型レベル3 DC充電器には、大電流で大電圧に対応できる部品が必要です。(画像提供：Cornell Dubilier Electronics)
レベル1とレベル2のPV EV充電器用コンデンサ
・DC入力フィルタリング
Cornell Dubilierは、レベル1とレベル2のEV充電器のDC入力フィルタリング用に、ネジ端子付きコンデンサDCMC、スナップインコンデンサ380LX/382LX＋85℃、381LX/383LX＋105℃を含む複数のアルミニウム電解コンデンサを提供しています(図3)。
DCMCコンデンサは、110μFから2.7F、電圧は最大550V、動作温度範囲は－40℃から＋85℃、高レベルのリップル電流に対応できます。タイプ380LXコンデンサの負荷寿命は、＋85℃の全負荷で3,000時間(hr)、一方381XLコンデンサの負荷寿命は、＋105℃の全負荷で3,000時間(hr)です。380LX/382LX、381LX/383LXは、2ピン、4ピン、5ピンがあり、プリント基板への確実で正確な取り付けをサポートします。
図3：381LXおよび関連するコンデンサは、プリント基板にスナップインで接続されています。(画像提供：Cornell Dubilier Electronics)
・DCリンク
DCリンクに関しては、550C562T400DP2Bなどのタイプ550Cアルミ電解コンデンサや 947D601K901DCRSNなどの947Dシリーズのメタライズドフィルムコンデンサから選択することができます。550Cシリーズの動作寿命は、一般的な用途で100,000時間以上、＋85℃での動作で最大20,000時間です。550Cコンデンサは、ESRが7mΩまで下がり、プリント基板やバスバーに取り付けるためのネジ端子を備えており、高いリップル電流に対応することができます。
947Dシリーズは、インバータ設計に必要な大容量と非常に高いリップル電流性能を兼ね備えています。このコンデンサの定格電圧範囲は900～1,300VDCです。また、＋85℃での動作で7,000時間、コア温度＋60℃、フル定格電圧で350,000時間の寿命があります。
・AC出力高調波フィルタリング
過酷な環境下でのAC出力高調波フィルタリングを実現するために、設計者はAEC-Q200認証済みタイプのALHシリーズACフィルタコンデンサを使用することができます。標準的なコンデンサに比べ、85/85高温高湿バイアス(THB)加速試験で50％の長寿命化を実現しています。また、RMS(実効値)定格電流が高く、高周波IGBTベースのインバータにおける高次高調波の処理に適しています。静電容量範囲は、160～450VAC、50/60Hzで0.22～50μFです。
この自己修復型メタライズドポリプロピレンフィルムコンデンサは、頑丈な基板実装パッケージ(図4)で、動作温度範囲は－40℃～＋105℃です。ALHシリーズのコンデンサは、定格電圧、＋70℃のホットスポット温度で100,000時間の寿命があります。
図4：ALHシリーズACフィルタコンデンサは、過酷な環境下でのAC高調波出力フィルタリングを実現し、自己修復機能を持ち、プリント基板へのスルーホール実装に対応しています。(画像提供：Cornell Dubilier Electronics)
・スーパーキャパシタ
スーパーキャパシタのような瞬間的にパワーを必要とする設計には、DGHシリーズとDSFシリーズを提供します。DGHシリーズには、21種類の異なる容量/電圧の組み合わせがあり、静電容量は0.5～600F、定格電圧は2.7～5.5動作電圧DC(WVDC)が用意されています。
DSFスーパーキャパシタは、単体で3.0WVDC 、デュアルデバイスで6.0WVDCという高い性能を実現しています(図5)。この高電圧仕様により、24％のより高いエネルギー密度を実現しています。DSFシリーズには、17種類の異なる容量/電圧の組み合わせがあり、静電容量は1.5F～600Fが用意されています。両シリーズとも50万回の定格サイクルです。プリント基板への組み込み用に、スルーホールリードとスナップインリードを選択できます。
図5：DSFスーパーキャパシタは、デュアルデバイスとシングルデバイスがあります。(画像提供：Cornell Dubilier Electronics)
レベル3充電器用コンデンサ
・AC入力と高調波フィルタリング
レベル3のDC充電器でサポートされる高い電力レベルに対しては、76.8μF、480VAC の定格で、AC入力高調波フィルタリング用に設計されたPFCHX48D20S108Tなどの、3相直列コンデンサのPFCHシリーズを利用できます。このコンデンサは、自己修復性のあるメタライズドポリプロピレンの巻線3本をデルタ状に接続し、円筒形のアルミニウムケースに収めたものです。寿命は60,000時間、残存率は94％、FIT(Failure In Time)は300×109component hours以下となっています。また、コンデンサの寿命や過負荷時に3相を遮断する圧力遮断器も搭載しています。ANSI/IEEE Standard 18を満足し、UL810に準拠した最大短絡電流定格10kAを有しています。
・DCリンク
DCリンクコンデンサには、プリント基板実装用に設計され、定格電圧を印加した状態で＋85℃/85%相対湿度で1,500時間テストされたBLH DCリンクコンデンサや、IGBTモジュールに直接実装してDCリンクとフィルタリングを行うように設計された0.47μF、1.2kVDCの474PMB122KSP2フィルムコンデンサなどの474シリーズがあります。
BLHコンデンサは、－40℃から＋105℃までの動作に対応し、定格電圧は＋85℃を超えると1℃につき1.35%軽減され、IEC61071とAEC-Q200の要件に適合しています。474PMB122KSP2などの474シリーズのコンデンサは、－40℃から＋100℃までの動作定格を持ち、＋85℃を超えると1℃につきDC電圧は1.5%、AC電圧は2.5%軽減されます。
・DC出力フィルタリング
大電流フィルムコンデンサの944Uシリーズには、800、1000、1200、1400VDCに対応したデバイスがあり、容量定格は33μFから220μF、RMS電流定格は75A(＋55℃)まであります。この高いリップル性能は、このメタライズドポリプロピレンコンデンサの低インダクタンス内部構造によるものです。直径84.5mmの薄型UL94V0難燃性ケースに収められ、底面には取り付けフランジが付き、M8ネジのスタッド端子を備えています(図6)。定格によって、ケースの高さは40mm、51mm、64mmになります。
図6：944Uフィルムコンデンサのネジ接続は、プリント基板やバスバーへの接続に使用できます。(画像提供：Cornell Dubilier Electronics)
まとめ
このように、EV充電器では、信頼性と効率性を確保するためには、さまざまな種類のコンデンサが必要となります。Cornell Dubilierは、レベル1、レベル2、レベル3のアプリケーション用高性能充電器の設計と構築をサポートするために、コンデンサのタイプと実装スタイルの広い選択肢を用意しています。
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