48 V 産業用電源用のバルク コンデンサを選択していると想像してください。定常状態のレールは 52 V であり、負荷ステップの過渡電圧は最大 58 V に達します。63 V のコンデンサは十分に近いように見え、75 V の部品はより安全であるように見え、どちらもコンデンサの実際の降伏電圧をはるかに下回っています。したがって、設計上の問題は、その部品が 58 V で耐えられるかどうかではありません。ほぼ確実に耐えることができます。本当の問題は、その明らかな余裕と引き換えに、長期的な信頼性をどれだけ犠牲にするかということです。
電解コンデンサの降伏電圧は、酸化アルミニウム誘電体が絶縁体としての動作を停止し、導通を開始する電圧です。これは、陽極箔上に成長する酸化物層の厚さによって設定される物理的限界です。定格電圧、サージ電圧、過渡電圧など、コンデンサに記載されているすべての電圧定格は、誘電体をその制限値以下に安全に保つために存在します。この記事では、その制限がどのように設定されるか、制限を超えた場合に何が起こるか、適切なマージンを持った電圧定格を選択する方法について説明します。
電解コンデンサの耐電圧とは何ですか?
アルミニウム電解コンデンサは、エッチングされた陽極箔の表面に電気化学的に形成された酸化アルミニウム (Al2O3) の薄層に電荷を蓄積します。フォーミングプロセス中に、酸化物は印加されたフォーミング電圧に比例した厚さまで、1 ボルトあたり約 1.2 ～ 1.5 ナノメートルの速度で成長します。したがって、定格電圧 100 V のコンデンサには 120 ～ 150 nm の範囲の酸化物層があり、その厚さが誘電体の破壊電圧を決定する主な要因となります。
順方向 DC 電圧が印加されるとき、酸化物層はアノードと電解質の間の電界を遮断する必要があります。電圧が十分に上昇すると、電界は酸化物の絶縁耐力を超えます。電子が微細な欠陥をトンネルし始め、漏れ電流が急激に増加し、局所的な加熱が続きます。湿った液体電解質コンデンサでは、熱により電解質が分解され、ガスが発生する可能性があります。固体高分子コンデンサでは、同じ過電圧によってハード短絡が発生することが多くなります。
酸化物の厚さは製造の最後に固定されるため、完成したコンデンサの降伏電圧は物理的特性であり、温度やリップルによって変化する値ではありません。公表されている格付けは、それよりも意図的に余裕を持って選択されています。
定格電圧、サージ電圧、破壊電圧の関係
定格電圧は、すべての寿命、リップル、漏れの仕様を満たしながら、その定格温度でコンデンサが処理できるように設計された最大連続 DC 電圧です。サージ電圧は、コンデンサが短期間であれば許容できる非反復的な過電圧であり、シリーズごとに個別に定義されます。どちらも絶縁破壊限界をはるかに下回っています。
| パラメータ | 意味 | 耐圧との関係 |
|---|---|---|
| 定格電圧（DC） | コンデンサがその寿命とリップルの仕様を満たす、定格温度における最大連続 DC 電圧 | 通常、降伏電圧の 60 ～ 80% |
| サージ電圧 | コンデンサが短期間の定義された持続時間に耐えることができる最大非反復過電圧 | 定格電圧と耐圧の間 |
| 過渡電圧 | スイッチング、負荷ステップ、またはシステム イベント中にコンデンサに発生する可能性のある短期間の電圧スパイク | 定格電圧を上回っていますが、降伏電圧はまだ下回っています |
| 耐圧 | 酸化アルミニウム誘電体が絶縁性を失い、電流が流れる電圧 | 物理的な限界そのもの |
一般的なアルミニウム電解コンデンサの定格電圧は、降伏電圧の 60 ～ 80 パーセントになります。たとえば、定格 63 V の部品は、およそ 85 ～ 100 V まで故障しない可能性があります。この内部マージンにより、コンデンサはサージ テスト、電圧スパイク、および短時間の過電圧イベントに即座に故障することなく耐えることができます。使用可能な評価として扱うべきではありません。
降伏電圧を超えるとどうなりますか?
定格電圧を超えても破壊限界未満で動作しても、直ちに致命的になるわけではありませんが、有害です。漏れ電流が増加し、酸化物層が受ける電界応力が増大し、電解液の消費が早くなります。故障点に近づく動作が繰り返されると、静電容量が徐々に減少し、ESR が増加します。これは、液体電解質部品では測定可能な寿命損失につながります。
ブレークダウン電圧を超える場合は別のイベントになります。酸化物の最も弱い部分に流れる電流が増加し、局所的な温度によってさらなる破壊が引き起こされます。湿式アルミニウム電解コンデンサでは、熱によって損傷部位の酸化物が再生されるため、小さな欠陥が自己修復する可能性があります。利用可能なエネルギーが高くなると、ガスが発生して圧力ベントが開き、コンデンサが破壊されます。このモードでは、固体高分子コンデンサには自己修復能力がほとんどなく、通常、その故障は内部短絡によって発生します。
逆極性は別の故障状態として扱う必要があります。重要な酸化物層はアノード上にのみ存在するため、逆電圧はカソード箔上の薄い酸化物を攻撃します。逆電圧が低くても、その層はすぐに破壊される可能性があります。電源投入時またはシャットダウン時に逆バイアスにさらされるコンデンサは、バイポーラとして指定するか、回路設計によって保護する必要があります。
適切なマージンを持った定格電圧を選択する方法
実際の開始点は、公称バス電圧ではなく、コンデンサが受ける最悪の場合の電圧です。 AC リップルまたは過渡リンギングのピークを最大 DC レベルに加算し、ディレーティング係数を適用します。アルミ電解コンデンサの一般的なルールは、最大印加電圧を定格電圧の 80% 以下に保つことです。厳しい過渡環境の場合、多くの設計者は 65 ～ 70% を目標とします。
48 V バスの例に戻ります。定常状態の最大値が 52 V、ワーストケースの過渡電圧が 58 V であるため、80 パーセント ルールでは、少なくとも 72.5 V の定格電圧が必要です。最も近い標準定格は 75 V と 80 V であるため、75 V のコンデンサが工学的に選択されますが、63 V の部品では過渡電圧をわずか 8 パーセントしかクリアしません。より安全な選択の代償は物理的なサイズです。定格電圧が高いほど酸化膜が厚くなり、同じ静電容量の場合、缶が大きくなるからです。
- DC 許容差、リップル、負荷ステップ、起動オーバーシュートなど、コンデンサ端子の最悪のピーク電圧を測定またはシミュレーションします。
- そのピークに、信頼性目標で使用されるディレーティング係数 (通常は 1.2 以上) を掛けます。
- 結果の上にある最も近い標準電圧定格を選択します。
- 選択した部品のサージ電圧定格も最悪の過渡ピークをクリアしていることを確認してください。
ボードレベル DC バス用ラジアル部品
ラジアル リード コンデンサはボードレベルの DC バスで一般的であり、 ラジアル電解コンデンサの定格電圧が回路の信頼性にどのような影響を与えるか 別の記事で。放射状フォーマットでは、 超高圧長寿命ラジアルコンデンサ「CD11H」シリーズ 中電圧および高電圧位置での持続的な DC ストレスに耐えるように設計されています。
CD11H 超高電圧長寿命ラジアルアルミ電解コンデンサ供給品 Nantong Xingchen Electron Co., Ltd. は、中国の CD11H 超高電圧長寿命ラジアル アルミ電解コンデンサの卸売業者です。 製品を見る→ コンパクトハイパワーステージ用スナップインパーツ
より高い電力レベルでは、スナップイン コンデンサが引き継ぎます。整流器またはインバータ段がコンパクトな基板実装パッケージで高静電容量を必要とする場合、 超高電圧、低リーク、長寿命スナップインコンデンサ「CD297」シリーズ 漏れ電流を低く抑えながら、高い定格電圧を提供します。
CD297 超高電圧、低漏れ、長寿命スナップインアルミ電解 C Nantong Xingchen Electron Co., Ltd. は、中国卸売 CD297 超高電圧、低漏れ、長寿命のスナップイン アルミ電解コンデンサです。 製品を見る→ これがあなたのデザインに何を意味するか
降伏電圧は、コンデンサが故障する理由を理解するのに役立つ概念ですが、設計パラメータではありません。定格電圧で設計し、サージ定格を尊重し、回路の過渡強度に一致するディレーティングマージンを維持してください。定格電圧の 60 ～ 80% で動作するコンデンサは寿命を満たします。定格の限界値で動作させるものは動作しない可能性があります。通常、より高い電圧クラスを選択し、関連するケース サイズを受け入れることで、予測可能なパフォーマンスを得ることができます。
非常に高いレール電圧と大きなリップル電流で動作する産業用コンバータの場合、多くの場合、ネジ端子構造が実用的な形式です。 CD136 高耐圧・高温ネジ端子コンデンサシリーズ たとえば、高い周囲温度での連続動作向けに構築されており、メーカー指定の電圧と寿命の制限を維持するのに役立ちます。
CD136 高電圧・高温耐性端子 アルミ電解 Nantong Xingchen Electron Co., Ltd. は中国卸売 CD136 高電圧および高温耐性端子アルミニウム電解コンデンサです。 製品を見る→ 部品番号を決定する前に、リップル、負荷ステップ、起動オーバーシュートを含むコンデンサ端子の最悪のピーク電圧を測定またはシミュレーションしてください。そのピークが定格電圧の 20% 以内にある場合は、次の電圧クラスに移行します。あなたの寿命の見積もりと信頼性のレビューは両方ともより健全なものになります。
