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■そのまま置き換え可能
同社が採用した補償回路は、半導体によるスイッチング動作を使ったコンバーター回路を組み合わせたAPD(アクティブ・パワー・デカップリング)回路である。いくつかの実現手法がある中で交流の脈動の一部を補償する部分補償方式のSSC(シリーズ・スタックド・キャパシター)型を採用した。電解コンデンサーの部分を今回の回路で置き換えても、既存の電源回路の仕様を変更しなくても済むように設計した。
■課題はコスト、10~30倍に
今回の技術の課題はコストだ。試作品では、部材コストが既存品の10~30倍だった。量産時には低コスト化が見込めるとはいえ、当面コスト差は埋まらない。積層セラミックコンデンサーの容量単価が電解コンデンサーよりも高いことに加え、APD回路に次世代の半導体「窒化ガリウム(GaN)」を採用していることによる。GaNは高速スイッチングが可能であり、コンデンサーの容量低減に効果がある。今回、その目的で採用した。
同社は、製品化時には、基本的には小型で長寿命という価値を認める顧客に高い価格で販売する意向だ。ただし、コストを重視する顧客に対しては、積層セラミックコンデンサーを安価なフィルムコンデンサーに置き換えたり、GaN半導体を従来のシリコン(Si)半導体に置き換えたりすることを検討している。GaN半導体をSi半導体に置き換えるとAPD内のスイッチング周波数を下げざるを得ず、回路寸法は大きくなる。
pureheartde1001 2019年7月4日 08:16
電解コンデンサーを全く使わない電源、機器の寿命長く
ダイヤモンド電機は、現在のあらゆる電気製品に不可欠な電解コンデンサーを全く使わない電源回路技術を開発した。電気自動車(EV)用充電器や蓄電システム、太陽光発電用パワーコンディショナー(パワコン)、インバーター式エアコン、発光ダイオード(LED)照明器具への搭載を見込む。電解コンデンサーは、特に高温下での寿命が短く、機器の寿命や故障頻度を決める主因となっている。
■平滑用コンデンサーをなくす
同社は電圧変換器(DC-DCコンバーター)の前段などに置く電圧平滑用コンデンサーをなくした。代わりに、交流の変動を打ち消す電圧を供給する補償回路を採用し、この回路内で必要なコンデンサーの容量を大幅に減らした上で積層セラミックコンデンサーを使った。
既存の平滑用コンデンサーは、初めに交流の脈動を吸収してDC-DCコンバーターでの平滑の負荷を減らす。今回の技術では、補償回路で平滑をすべて担う。平滑しきれない電圧変動は補償回路内に少し現れるため、これを積層セラミックコンデンサーで吸収する。
■静電容量を従来の14%に
既存の回路で交流100ボルト(V)などを直流に変換するには、一般に耐圧450V以上といった高耐圧で大容量の仕様が求められる。高耐圧で体積当たりの静電容量が大きな製品が豊富なアルミニウム(Al)電解コンデンサーが採用される。機器によっては、高さ10ミリメートル超の電解コンデンサーを10~20個搭載している。これをそのまま積層セラミックコンデンサーに置き換えると、2倍近くの体積が必要になって、現実的ではなかったという。コストもかさむ。
今回の補償回路に必要なコンデンサーの容量は、開発品の場合に既存の平滑用コンデンサーの約14%(合計50マイクロファラッド=μF)とわずかだ。積層セラミックコンデンサーへの代替で増える体積やコストは抑えられる。