コンデンサの基礎知識とハイブリッドコンデンサ

コンデンサとは

コンデンサとは、内部電極表面に電荷を蓄えることのできる電子部品です。蓄えることのできる電荷は、電池に比べて少ないため短時間しか電流を供給できませんが、何回でも繰り返して使え、瞬間的に大きな電流を取り出すことができます。

絶縁体(誘電体)を金属板(電極)で平行に挟むとコンデンサになります。その金属板(電極)間に直流電圧を印加すると、電荷を貯めることができます。これがコンデンサの原理です。蓄えられる電荷の量を静電容量と言い、静電容量Cは、絶縁体の誘電率ε、電極の表面積S、絶縁体の厚さdで決まります。

静電容量Ｃは、絶縁体の誘電率εを大きくする、電極の表面積Sを大きくする、絶縁体の厚みdを薄くすることで大きくなります。ただし、絶縁体の厚みdを薄くするとコンデンサの耐電圧(定格電圧)は低くなります。

コンデンサの働き

コンデンサは、①充電と放電が瞬時にできる、②直流は通さないが交流は通す、③周波数が高いほどよく通すという性質を持っており、電気回路ではこれらの性質を利用した使われ方をします。

代表的な使われ方の回路例を示します。

コンデンサの特性

理想的なコンデンサは静電容量成分だけですが、実際のコンデンサは抵抗成分やインダクタンス成分を含んでいます。これらの寄生成分は、コンデンサの性能に大きな影響を与えます。コンデンサの簡易等価回路を図に示します。図が示すように、実際のコンデンサの等価回路にはESR(等価直列抵抗)、ESL(等価直列インダクタンス)が含まれます。また、コンデンサの電極間は理想的には絶縁ですが、実際には若干の漏れ電流が存在します。

これらの成分についてまとめました。

加えて、もう1つ重要な特性として、インピーダンスがあります。
インピーダンスは簡単に言うと、交流回路での電圧と電流の比で、直流回路での抵抗に当たるものです。記号はZを用い、単位は抵抗と同じくΩを使います。

この式から、次のことがわかります。

コンデンサをその主要用途であるノイズ吸収(デカップリング)で使用する場合、インピーダンスでノイズ吸収効果が決まるため、以下のポイントで部品選定する必要があります。

1. ノイズの周波数とコンデンサの自己共振周波数が近いこと。
2. ESRが小さいこと。
3. 高周波ノイズの場合、ESLが小さいこと。

コンデンサの種類と特徴

コンデンサには使う材料や構造などによっていろいろな種類があります。また、種類によって特徴が異なります。設計での選択は、これらの特徴に基づきます。

上記の他に、アルミ電解コンデンサと導電性高分子コンデンサを融合させ、それぞれの特長を兼ね備えた導電性高分子ハイブリッドアルミ電解コンデンサが近年注目されています。

アルミ電解コンデンサについて

アルミ電解コンデンサは有限寿命品です。これは、電解液が温度により気化して封口ゴムから徐々に透過していくため、時間とともに容量が低下、ＥＳＲが上昇し、最終的にはオープン状態(電解液のドライアップ)になります。

アルミ電解コンデンサの寿命予測には一般的に「10℃2倍則」が適用できます。

導電性高分子ハイブリッドアルミ電解コンデンサとは

導電性高分子ハイブリッドアルミ電解コンデンサ(以下、ハイブリッドコンデンサ)は、導電性高分子と電解液を融合したハイブリッド電解質を採用し、導電性高分子コンデンサとアルミ電解コンデンサの長所を併せた優れた性能を持っています。小型でありながら高耐圧、大容量、低ESR、高リプル電流、長寿命を実現しています。なお、最終的な故障モードはアルミ電解コンデンサと同じオープンモードで、寿命推定式も10℃2倍則が適用されます。

以下に、一般のアルミ電解コンデンサとハイブリッドコンデンサの基本構造の比較を示します。両者は基本的に同じ構造ですが、前記したように電解質が違います。

ハイブリッドコンデンサの特長

ハイブリッドコンデンサの最大の特長は、従来のアルミ電解コンデンサと比較し低ESRで高リプル電流を流せる点にあります。
低ESRであれば単にノイズ吸収効果が大きいだけでなく、ESRによるエネルギー損失が小さくなり、さらにそのエネルギー損失による自己温度上昇が低くなります。
自己温度上昇が低いとコンデンサの寿命が長くなりますし、同一寿命で考えれば低ESRのほうが大きな電流が流せると言えます。

ハイブリッドコンデンサの使用事例

これまで説明してきたように、ハイブリッドコンデンサは、従来のアルミ電解コンデンサのメリット(安全性、低LC)を残しつつ、弱点であった低温特性やESR特性,高リプル対応を、導電性高分子の採用で改善したコンデンサです。これらの特長を生かし、安全性や信頼性が求められる車載機器や産業機器用途を中心に採用が拡大しています。
最後に、ハイブリッドコンデンサの採用による員数削減や小型化の事例を紹介します。

最初は、汎用電源の出力コンデンサを、ラジアルリード220μFのアルミ電解×1＋MLCC×5という構成から、47μFのハイブリッドコンデンサ1個で置き換えた例です。ハイブリッドコンデンサは面実装タイプです。部品点数と実装面積の削減、完全面実装化に加え、短絡故障モードのMLCCを使わないことで信頼性も向上しています。

次に、エンジンECUとEPSモータ制御回路の電源の事例を紹介します。エンジンECUの例では、DC/DCコンバータの入力に使用するアルミ電解コンデンサをハイブリッドコンデンサに置き換えています。員数を半分にでき、実装面積も大幅に削減できています。 EPSモータ制御のほうは、平滑用の置き換えで、ラジアルリードタイプを面実装に、そして、実装面積と高さを削減し、信頼性とリプル電流定格が向上した例です。

ハイブリッドコンデンサのメリットが非常に大きいことがわかる例だと思います。