JP4161589B2 - 低電圧用コンデンサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はバッテリー駆動の電動機等で、比較的低電圧で大電力の消費を必要とする電気機器に関わり、コンデンサ部品接続部の配線インダクタンスを低減することにより、スイッチング時のサージ電圧の抑制を可能とし、低損失，高効率の低耐圧半導体素子の使用を可能とすることで、小型低価格，高性能な電気機器を実現することに関連している。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、電気機器に接続する電解コンデンサの周波数応答の改善やサージ電圧抑制の方法としては、例えば特開平６−２７５４７６号において論じられている。これは上記明細書の図１で示される以下の構成をとる。すなわち、平板を積層したコンデンサ素子の上部に設置された、陽極用および陰極用のリード取り出し用タブを、それぞれ別々に束ねて一体型リードにとりつける。上記一体型リードを、ケースを封止するための封口板に接続するための陽極および陰極接続端子を介し外部接続端子に接続する。その際、一体型リードおよび陽極および陰極接続端子を広幅の並行平板とすることにより電解コンデンサのケースの内部インダクタンスを大幅に低減することが可能となる。
【０００３】
また第二の例として、例えば文献「New Aluminum Electrolytic Capacitors with Low Inductance Allow Advanced Frequency Converter Design」Jurgen Roumen, PCIM 2000 (2000) に論じられている。上記文献のFig.４に示されるように、陽極箔と陰極箔のそれぞれに対して多数のフォルダータブを貼り付けた後に、重ねて巻いて製作したワインディングをケースに収納し、封口板に取り付けられた電極端子に上記フォルダータブを接続する。その際、電極端子の陽極と陰極の距離は高圧の絶縁を保持するために離しておく必要がある。従来品はFig.４の左に示されるように、フォルダータブのうち陽極箔と陰極箔に取り付けられている部分の距離的に離れており、また上部の電極端子までの接続部分の長さも長かった。これに対し文献では改良によりFig.４右に示されるように、フォルダータブのうち陽極箔と陰極箔に取り付けられている部分の距離を狭めかつ上部の電極端子までの接続部分の長さを短縮することにより大幅な低インダクタンス化を実現している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
サージ電圧の発生や周波数応答を支配するトータルインダクタンスは以下のような、三つの成分の合計からなる。
【０００５】
トータルインダクタンス
＝コンデンサ内部インダクタンス
＋コンデンサと電気機器の接続用電力配線のインダクタンス
＋電気機器の内部インダクタンス
上記、従来の技術で紹介した、例１および２は、上式、右辺第一項のコンデンサ内部インダクタンスを低減する発明である。また、第三項、電気機器の内部インダクタンスの低減に関しても、それぞれの電気機器に関して様々な発明が存在する。しかし、これらの従来の技術では、トータルインダクタンスの大きな部分を占める、上式第二項のコンデンサと電気機器の接続用電力配線のインダクタンス低減が出来ないため、周波数応答改善やサージ電圧抑制の点で限界があった。
【０００６】
本発明は、低電圧の機器の用途に対し、電解コンデンサと電気機器を接続する電力配線部分のインダクタンスを大幅に低減することにより、トータルインダクタンスの低減を実現し、電気機器の周波数応答の改善やサージ電圧抑制を可能とすることを目的としており、ひいては、サージ電圧抑制により低損失，高効率の低耐圧半導体素子の使用を可能とし、小型低価格，高性能な電気機器を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、低電圧機器の場合に関して、電解コンデンサ外部に配置されている外部端子の陽極と陰極の間隔を近づけても絶縁破壊が発生しないことを利用し、ケースの外部端子近接して配置する。更に電気機器と電解コンデンサを接続する電力配線として、２枚の広幅の平板を、絶縁層を介して重ねたラミネート配線とする。ケースの外部端子近接して配置することによりラミネート配線のインダクタンス抑制効果が大幅に増大し、電力配線部の低インダクタンス化が可能となる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
（第一の実施例）
以下、本発明の第一の実施例に共通する基本構成を、図面を用いて説明する。図１（ａ）（ｂ）は電解コンデンサと電気機器を接続する電力配線の比較例である。図１（ａ）では、電解コンデンサのケース１に取り付けられた陽極の電極端子２ａと陰極の電極端子２ｂを介して電気機器３と接続されている。その際、陽極側の電力配線４ａと陰極側の電力配線４ｂは狭い幅の導体板でかつ、互いに電極端子２ａと２ｂ間の距離とほぼ同じだけ離れて配置されている。このため、陽極側の電力配線４ａを流れるコンデンサの充放電電流５ａと陰極側の電力配線４ｂを流れるコンデンサの充放電電流５ｂは互いに重なる領域がないため、上記の往復電流により強い磁場が回りの空間に誘起され、これにより電力配線４ａ，４ｂは大きな配線インダクタンスを持つことになる。これに対して本実施例では（※図１（ｂ）の構成は修正前の明細書では従来例とする扱いでした。しかし、現時点ではこれと全く同一の公知例はないようなので、この構成を本発明の第一の実施例として権利化を図ることにしました。）、インダクタンス低減のための対策として図１（ｂ）に示されるような方法をとる。即ち、陽極側の電力配線４ａと陰極側の電力配線４ｂとして、共に広い幅の導体板を使用し、かつ互いの板が重なるように並行に配置してある。これにより電気機器３と電解コンデンサのケース１との中間の領域６では電力配線を流れる電流５ａと５ｂが互いに接近して重なり、周りに誘起される磁場をほとんど零に抑えられるためインダクタンスの低減が可能となる。
【０００９】
さらにインダクタンスを低減するには上記の電力配線４ａ，４ｂの内、電解コンデンサに近い領域７を小さくすることが必要となる。そのために図２（ｂ）に示すように電極端子２ａと２ｂを近接して配置する。これにより図２（ａ）の場合に比べ、電流の重ならない領域７が小さくすることが可能となり、電力配線のインダクタンスが大幅に削減できる。もうひとつの方法として、図３に示すように容量の小さい小型の第一のコンデンサ８，第二のコンデンサ９を図に示すように、陽極の電極端子２ａと陰極の電極端子２ｂを逆向きに近接して配置する。このとき上記の二つのコンデンサ８，９の容量を同じにしておく。すると、コンデンサ８に流れる電流１０ａ，１０ｂと、第二のコンデンサ９に流れる電流１１ａ，１１ｂは互いに重なり合い、電流の大きさが同じで向きが反対となりインダクタンスの低減が可能となる。一般に２個以上の場合でも偶数個であれば、容量の同じ二つを逆向きの対として配置することで、上記の効果を実現できる。
【００１０】
高電圧電気機器の場合、絶縁を確保するためには陽極の電極端子２ａと陰極の電極端子２ｂの距離を近づけることには限界がある。しかし３９０Ｖ以下の低電圧電気機器の場合にはコロナ放電が発生しないため、沿面距離さえ確保できれば陽極と陰極の端子を近接させることが可能となり、上記のインダクタンス低減が実現できる。
【００１１】
（その他の実施例）
以下、本発明の第二の実施例を、図４を用いて説明する。電解コンデンサの封口板１２の上面にＬ字型平板状の形をした陽極の電極端子２ａと陰極の電極端子２ｂが取り付けられている。電気機器３との接続の際には、広幅平板状の形をした陽極の電力配線４ａと陰極の電力配線４ｂを、絶縁シート１３を挟んで重ねた状態で用いる。上記の電力配線４ａ，４ｂは、ネジ１４を用いて電極端子２ａ，２ｂに取り付けられる。そのため電極端子２ａ，２ｂには、ネジ取り付け穴１５と、一方の極の電力配線４ｂを取り付けるために用いたネジ１４が他方の極の電力配線４ａに接触することを防ぐための窓穴１６があけられている。以上の構成により陽極の電極端子２ａは陽極の電力配線４ａと、陰極の電極端子２ｂは陰極の電力配線４ｂとのみ接続されており、かつ電力配線上の全ての領域で流れる電流は重なっているため、電力配線４のインダクタンスの大幅な低減が可能である。更に本実施例では、図２（ｂ）のような円柱棒状の電極端子の場合に比べて電極端子２の近接させる度合いを大きくすることが可能となっている。即ち、図２（ｂ）の場合には、大電流を円柱棒状の電極端子に流す必要があり、電流密度の増大を防ぐために電極の径を十分太くする必要があった。このため電極端子２を近接に配置する上で限界があった。しかし、上記第一の実施例では、電極端子に幅の広い導体板を用いているため、電極端子の電流密度増大を防ぐことが可能であり、導体板の厚さを薄くできる。従って十分に電極端子を近接して配置することが可能である。
【００１２】
以下、本発明の第三の実施例を、図５を用いて説明する。陽極のタブ接続板１７ａと、陰極タブ接続板１７ｂには、それぞれ二つ以上の個数の電極端子２ａと２ｂが取り付けられている。このタブ接続板１７ａ，１７ｂは樹脂により、一体にモールド成型され封口板１２となっている。封口板１２の上面では、陽極の電極端子２ａと陰極の電極端子２ｂが交互に配置された状況で露出している。また封口板１２の下面では、陽極のタブ接続板１７ａと、陰極タブ接続板１７ｂが仕切り板１８を挟んで露出している。電気機器３との接続の際には、上記、第一の実施例と同様に、広幅平板状の形をした陽極の電力配線４ａと陰極の電力配線４ｂを、絶縁シート１３を挟んで重ねた状態で用いる。本実施例によれば、コンデンサ接続部付近の電極端子２ｂと陰極の電力配線４ｂ間のわずかな領域を除いて、電力配線上のほとんどの領域で流れる電流は重なっているため、電力配線４のインダクタンスの大幅な低減が可能である。更に本実施例でも、上記第一の実施例と同様に、図２（ｂ）に比べて電極端子２の近接させる度合いを大きくすることが可能となっている。即ち、上記第二の実施例では、電極端子を複数個用いているため電極端子の電流密度増大を防ぐことが可能であり、電極端子の径を細くできる。従って十分に電極端子を近接して配置することが可能である。
【００１３】
以下、本発明の第四の実施例を、図６を用いて説明する。陽極箔１９ａおよび陰極箔１９ｂのそれぞれに対して、導体箔のフォルダータブ２０を上部がはみ出すようにして貼り付けた後、電解質層を挟んで張り合わせてロール状に巻きワインディング２１を形成する。陽極箔１９ａに貼り付けられたフォルダータブ２０と陰極箔１９ｂに貼り付けられたフォルダータブ２０の上部にはみ出した部分は別々に束ねておく。上記第三の実施例で説明したように、封口板１２の下面，仕切り板１８の両面部分には、陽極および陰極のタブ接続板１７ａ，１７ｂのモールドされていない露出部が設けられている。この露出部に束ねたフォルダータブ２０を接続し、止め具２２をボルト２３およびナット２４で締め付け固定する。最後にワインディング２１をケース１に収納し、封口板１２により封止すると電解コンデンサが完成する。本実施例によれば、電極端子２を封口板１２の上面に近接配置した場合でも、フォルダータブ２０の取り付けが容易となり、製造法が簡便となるため、安価で高性能な電解コンデンサの提供が実現できる。
【００１４】
以下、本発明の第五の実施例を、図７を用いて説明する。上記の第四の実施例でフォルダータブ２０を封口板１２下面のタブ接続板１７に接続する際に、止め具２２をボルト２３およびナット２４で締め付けることにより固定していた。本実施例では、止め具２２によりフォルダータブ２０を、仕切り板１８両面のタブ接続板１７に押し付けた後、バネクリップ２５により加圧固定することでネジ絞め作業を省き、更にいっそう作業性を改善している。
【００１５】
以下、本発明の第六の実施例を、図８を用いて説明する。チップコンデンサ２６は上面に陽極の電極パッド２７と陰極の電極パッド２８が向かい合う辺にそって配置してある。プリント板は、導体板で構成された陽極面２９と陰極面３０をベタ面として張り合わせている。プリント板は、陽極面２９と陰極面３０にはそれぞれ、チップコンデンサ２６の上面の、陽極の電極パッド２７，陰極の電極パッド２８と同数のビアが近接して設けられており、対抗面と接続されている。プリント板の陽極面２９と陰極面３０上の同じ位置にそれぞれ第一のチップコンデンサ２６ａと第二のチップコンデンサ２６ｂを貼り付ける。第一のチップコンデンサ２６ａはプリント板の陽極面２９と直接、プリント板の陰極面３０とはビア３１を介して接続する。同様に、第二のチップコンデンサ２６ｂはプリント板の陰極面３０と直接、プリント板の陽極面２９とはビア３１を介して接続する。第一のチップコンデンサに流れる電流は、ワイヤーリード線３２ｂから第一のチップコンデンサ２６ａ，ワイヤーリード線３２ａ，プリント板の陰極面３０の順序で流れる。第二のチップコンデンサに流れる電流は、プリント板の陽極面２９から第一のチップコンデンサ２６ａ，ワイヤーリード線３２ｃ，第二のチップコンデンサ２６ｂ，ワイヤーリード線３２ｄの順序で流れる。以上の方法により第一のチップコンデンサ２６ａを流れる電流と、第二のチップコンデンサ２６ｂを流れる電流は反対向きで重なっているためインダクタンスの大幅低減が可能となる。
【００１６】
以下、本発明の第七の実施例として直交変換機の場合を説明する。図９は３相２レベルＩＧＢＴインバータを示している。商業交流電源３３から供給された交流電力は、整流用ダイオード３４を用いたダイオード整流器３５を経た後、電解コンデンサ３６に直流電力としていったん貯蔵される。更にＩＧＢＴ３７とフリーホイールダイオード３８を用いた直交変換機３９を用いて、可変周波数の交流電力に変換され、交流モータ４０を駆動する。そのさい電解コンデンサ３６と直交変換機３９をつなぐ電力配線４のインダクタンスが大きいとＩＧＢＴ３７のオフ動作時に、ＩＧＢＴ３７に大きなサージ電圧が印加されＩＧＢＴ３７が破壊する恐れがある。本発明の電解コンデンサ３６を使用すればサージ電圧を抑制でき素子破壊を防止できる。
【００１７】
以下、本発明の第八の実施例として、スイッチング電源の場合を説明する。図１０は、一石フォアードコンバータの例を示している。電解コンデンサ３６に蓄えられた高圧の直流電力を、一次側ＭＯＳＦＥＴ４１をオンオフすることで、高周波トランス４２の一次側にパルス電流として供給する。すると高周波トランス４２の二次側には低電圧のパルス電圧が発生する。この電圧によって二次側に流れる電流を二次側ＭＯＳＦＥＴ４３とリアクトル４４を用いて整流することにより、大電圧の直流電力を小電圧の直流電力に変換する。そのさい電解コンデンサ３６とスイッチング電源４５をつなぐ電力配線４のインダクタンスが大きいと高周波特性が悪化する。本発明の電解コンデンサ３６を使用すれば周波数特性の改善が実現できる。
【００１８】
以下、本発明の第九の実施例として自動車の例を説明する。図１１は自動車における駆動システムの構成図である。図１１において、４６は電動機、４７は電力変換装置、４８は直流電源、３６は電解コンデンサ、４９は出力配線、５０は自動車、５１は制御装置、５２は伝導装置、５３はエンジン、５４ａ，５４ｂ，５４ｃ，５４ｄは車輪、５５は信号端子である。信号端子は自動車の運転状態及び、運転者からの発進，加速，減速，停止の指令に対する信号を受信する。制御装置５１は信号端子より受信した情報に基づき、電力変換器へ制御信号を送信し、直流電源４８の電力により、電動機４６を駆動する。電動機４６はトルクをエンジンシャフトに伝え、伝導装置５２を介して、車輪を駆動させることができる。即ち、図１１の駆動システムでは、自動車のエンジン５３が停止している場合においても、電動機４６によって車輪５４ａ，５４ｂを駆動することができ、また、エンジン５３が稼動している際もトルクアシストすることも可能である。さらに、エンジン５３により電動機４６を駆動させ、前記電動機４６で発生した交流を電力変換装置４７で直流に変換することで、直流電源４８に充電することができる。その際、直流電源４８と電力変換装置４７の間に電解コンデンサ３６を挿入することにより、電力を一時的に貯蔵し、見かけ上、直流電源４８の容量を増大させ、また、直流電源４８の過渡応答を改善する。
【００１９】
図１１の駆動システムにおいて、前記の電動機４６のみによる車輪駆動やトルクアシスト時には大きなトルクが要求され、かつ直流電源が蓄電池等の低電圧電源であることから、低電圧大電流で電動機４６を駆動する必要がある。このため、４７の電力変換機では大電流でも電力損失の少ない低抵抗の半導体素子の使用が不可欠である。しかし、低抵抗な半導体素子は、サージによる過電圧に弱く、効率よい電力変換機にはサージ電圧抑制が必須である。本発明の電解コンデンサ３６を使用すればサージ電圧を抑制でき、高効率の駆動システムを持った自動車を提供できる。
【００２０】
【発明の効果】
本発明によれば、サージ電圧抑制が可能で、周波数応答性のよい電解コンデンサを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の作用である電力配線部の往復電流の重なり効果を示している。
【図２】本発明の作用である電力配線部の往復電流の重なり効果が、端子間距離によって違いが生じるかを示している。
【図３】本発明の作用である２つの逆向きコンデンサによる、電流の重なり効果を示している。
【図４】本発明の第二の実施例を示している。
【図５】本発明の第三の実施例を示している。
【図６】本発明の第四の実施例を示している。
【図７】本発明の第五の実施例を示している。
【図８】本発明の第六の実施例を示している。
【図９】本発明の第七の実施例を示している。
【図１０】本発明の第八の実施例を示している。
【図１１】本発明の第九の実施例を示している。
【符号の説明】
１…ケース、２…電極端子、２ａ…陽極の電極端子、２ｂ…陰極の電極端子、３…電気機器、４…電力配線、４ａ…陽極の電力配線、４ｂ…陰極の電力配線、５…コンデンサの充放電電流、５ａ…陽極側の電力配線を流れるコンデンサの充放電電流、５ｂ…陰極側の電力配線を流れるコンデンサの充放電電流、６…電力配線の内、電気機器と電解コンデンサのケースとの中間の領域、７…電力配線の内、電解コンデンサに近い領域、８…第一のコンデンサ、９…第二のコンデンサ、１０ａ…第一のコンデンサの陽極に流れる電流、１０ｂ…第一のコンデンサの陰極に流れる電流、１１ａ…第二のコンデンサの陽極に流れる電流、１１ｂ…第二のコンデンサの陰極に流れる電流、１２…封口板、１３…絶縁シート、１４…ネジ、１５…ネジ取り付け穴、１６…窓穴、１７ａ…陽極のタブ接続板、１７ｂ…陰極タブ接続板、１８…仕切り板、１９…陽極箔と陰極箔、１９ａ…陽極箔、１９ｂ…陰極箔、２０…フォルダータブ、２１…ワインディング、２２…止め具、２３…ボルト、２４…ナット、２５…バネクリップ、２６…チップコンデンサ、２６ａ…第一のチップコンデンサ、２６ｂ…第二のチップコンデンサ、２７…陽極の電極パッド、２８…陰極の電極パッド、２９…プリント板の陽極面、３０…プリント板の陰極面、３１…プリント板のビア、３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ…ワイヤーリード線、３３…商業交流電源、３４…整流用ダイオード、３５…ダイオード整流器、３６…電解コンデンサ、３７…ＩＧＢＴ、３８…フリーホイールダイオード、３９…直交変換機、４０…交流モータ、４１…一次側ＭＯＳＦＥＴ、４２…高周波トランス、４３…二次側ＭＯＳＦＥＴ、４４…リアクトル、４５…スイッチング電源、４６…電動機、４７…電力変換装置、４８…直流電源、４９…出力配線、５０…自動車、５１…制御装置、５２…伝導装置、５３…エンジン、５４，５４ａ，５４ｂ，５４ｃ，５４ｄ…車輪、５５…信号端子。

Claims (13)

1. 第一のコンデンサが配置された第一の導体板と、
   第二のコンデンサが配置された第二の導体板と、
   前記第一の導体板と前記第二のコンデンサとを接続する第一のリード線と、
   前記第二の導体板と前記第一のコンデンサとを接続する第二のリード線とを有し、
   前記第一のコンデンサと前記第二のコンデンサが、正負の向きが逆であることを特徴とする電子部品。
2. 請求項１に記載の電子部品であって、
   前記第一の導体板と前記第二の導体板は、絶縁層を介したラミネート配線であることを特徴とする電子部品。
3. 請求項２に記載の電子部品であって、
   前記第１のリード線が突出する前記第二コンデンサの面、及び前記第２のリード線が突出する前記第一コンデンサの面は、前記ラミネート配線の主面と対向して配置されることを特徴とする電子部品。
4. 請求項１に記載の電子部品であって、
   前記第一のコンデンサと前記第二のコンデンサは、同じ容量に設定されたコンデンサであることを特徴とする電子部品。
5. 請求項１に記載の電子部品であって、
   前記第一のコンデンサ及び前記第二のコンデンサはそれぞれ、
   陽極箔および陰極箔と、
   前記陽極箔と前記陰極箔との間に配置された電解質層と、
   前記陽極箔，前記陰極箔及び前記電解質層とを収納するケースと、
   前記ケースの外部に取り付けられた前記陽極端子及び前記陰極端子と、を有し、
   前記第一のコンデンサの前記陽極端子及び前記第ニのコンデンサの前記陽極端子が、前記第一の導体板と電気的に接続され、
   前記第一のコンデンサの前記陰極端子及び前記第ニのコンデンサの前記陰極端子が、前記第二の導体板と電気的に接続されることを特徴とする電子部品。
6. 請求項１に記載の電子部品であって、
   前記第一のコンデンサ及び前記第二のコンデンサはそれぞれ、
   陽極層および陰極層と、
   前記陽極層と前記陰極層との間に配置された誘電体層と、
   前記陽極層，前記陰極層及び前記誘電体層とを収納するケースと、
   前記ケースの外部に取り付けられた前記陽極端子及び前記陰極端子と、を有し、
   前記第一のコンデンサの前記陽極端子及び前記第ニのコンデンサの前記陽極端子が、前記第一の導体板と電気的に接続され、
   前記第一のコンデンサの前記陰極端子及び前記第ニのコンデンサの前記陰極端子が、前記第二の導体板と電気的に接続されることを特徴とする電子部品。
7. 請求項５または６のいずれかに記載の電子部品であって、
   前記第ニのコンデンサの前記陰極端子は、前記第一のコンデンサの前記陽極端子に対し、前記第一のコンデンサの前記陰極端子より近接して配置され、
   前記第ニのコンデンサの前記陽極端子は、前記第一のコンデンサの前記陰極端子に対し、前記第一のコンデンサの前記陽極端子より近接して配置されることを特徴とする電子部品。
8. 請求項５において、前記陽極端子と前記陰極端子に平板を使用したことを特徴とする電子部品。
9. 請求項８において、前記陽極端子と前記陰極端子を並行に配置したことを特徴とする電子部品。
10. 請求項１から９のいずれかに記載の電子部品を使用した直流交流変換装置。
11. 請求項１から９のいずれかに記載の電子部品を使用したスイッチング電源装置。
12. 請求項１から９のいずれかに記載の電子部品を使用した電気機器。
13. 請求項１から９のいずれかに記載の電子部品を使用した電気自動車。

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