JP6269178B2 - 積層型フィルムコンデンサ、コンデンサモジュールおよび電力変換システム - Google Patents

Description

本発明は、積層型フィルムコンデンサ、コンデンサモジュールおよび電力変換システムに関する。

積層型フィルムコンデンサでは、誘電体フィルムの欠陥、異物の混入などが原因で、誘電体フィルムに絶縁破壊が起こり、内部電極間が短絡（ショート）し、短絡電流が流れることがある。一度絶縁破壊が起きてしまうと、誘電体フィルムの絶縁破壊箇所を介して短絡電流が継続的に流れてしまう。

この問題を解決するため、短絡電流を遮断するヒューズ部を備えた積層型フィルムコンデンサが特許文献１および２に開示されている。

特許文献１および２に開示されているヒューズ部は、金属膜の狭隘部であり、内部電極のうち静電容量を形成する部分である容量形成部とメタリコン接続部との間を電気的に接続する。なお、特許文献１および２では内部電極の容量形成部が複数の容量形成部に分割されている。ヒューズ部は各セグメント間も電気的に接続する。

ヒューズ部は細く形成されているため、抵抗が大きく、短絡電流が流れると発熱し、溶断する。これにより、絶縁破壊が生じた容量形成部が回路から切り離され、短絡電流が遮断される。従って、積層型フィルムコンデンサは使用可能な状態となる。

短絡発生後、使用可能な状態になった積層型フィルムコンデンサの静電容量は、回路から切り離された容量形成部では、内部電極の容量形成部は複数の容量形成部に分割されているため、１容量形成部の面積は分割しない容量形成部の面積よりも小さい。

特開２００４−２００５８８号公報 特開２００４−３６３４３１号公報

しかし、分割された容量形成部間には電極膜の形成されていないギャップ部が存在するため静電容量は減少する。更に、分割数が大きいと、ギャップ部の面積も大きくなる。そのため、１層の内部電極当たり複数の容量形成部を備える積層型フィルムコンデンサの静電容量は、同様の積層型フィルムコンデンサで、容量形成部を分割していない場合又は分割数が小さい場合と比べると、静電容量が小さくなり、コンデンサの単位体積当たりの静電容量が小さい。静電容量を同じにするためには積層型フィルムコンデンサのサイズは大きくなってしまう。

このように、特許文献１，２に開示された積層型フィルムコンデンサでは、分割により１容量形成部の面積が小さくなるため、短絡時の静電容量の低下率を抑制することはできるが、積層型フィルムコンデンサの単位体積当たりの静電容量を容量形成部を分割しない場合と同様に維持することはできない。単位体積当たりの静電容量を維持しようとすると分割数は小さくしなければならない。しかし、そのときは短絡後の静電容量の低下率が大きくなる。このように短絡後の静電容量の低下率を小さくすることと、単位体積当たりの静電容量の値を維持することとを両立させることは困難である。

積層型フィルムコンデンサでは、使用時に各層の内部電極を含む電極部で熱が発生する。積層型フィルムコンデンサの各層を構成する誘電体フィルムは放熱性が低いため、電極部で発生する熱により、積層方向に温度分布ができ、積層方向の中央部の層の温度が最も高くなる。温度が高いと誘電体フィルムの絶縁性が低下するため、短絡の発生率が高くなる。そのため、積層型フィルムコンデンサは、単位体積当たりの静電容量よりも短絡発生後の静電容量の低下率を低く抑えることを優先して製作される。すなわち、その最高温度に応じて、特許文献１及び２に開示されているように容量形成部を複数に分割する。

このように特許文献１，２に記載の積層型フィルムコンデンサにおいては、使用時の積層方向の中央部の層の最高温度に基づき容量形成部の分割数を設定するので、分割数が大きくなる。分割数が大きくなると、定格状態での単位体積当たりの静電容量は低減する。その結果、分割数がより少ない場合と同じ静電容量を実現するためには積層型フィルムコンデンサはより大きくなってしまう。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、ヒューズ機能付きの積層型フィルムコンデンサにおいて、層間で短絡が発生したときの静電容量の低下率を実質的に維持しつつ、より小型の積層型フィルムコンデンサを提供すること、及びそのような積層型フィルムコンデンサを使用した、より小型のコンデンサモジュールおよび電力変換システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の第１の観点に係る積層型フィルムコンデンサは、誘電体フィルム上に第１の内部電極が形成された第１のフィルムと誘電体フィルム上に第２の内部電極が形成された第２のフィルムとが、交互に複数積層された積層体と、前記第１の内部電極に接続された第１の電極と、前記第２の内部電極に接続された第２の電極と、を備え、前記第１の内部電極は、前記第２の内部電極と対向配置されて静電容量を形成する１以上の容量形成部と、前記第１の電極と接続される引き出し部と、前記容量形成部と前記引き出し部との間又は複数の前記容量形成部の間に配置されたヒューズ部と、を備える積層型フィルムコンデンサであって、前記積層体の積層方向の一端の層を含む連続した複数の層と、前記積層体の前記積層方向の他端の層を含む連続した層とに配置されている前記容量形成部のうち最大のものの面積は、前記積層体の前記積層方向の中央の層を含む連続した複数の層に含まれる前記容量形成部の面積よりも大きいことを特徴とする。

本発明の第２の観点に係るコンデンサモジュールは、前記第１の観点に係る１個以上の積層型フィルムコンデンサと、前記１個以上の積層型フィルムコンデンサを収納する容器と、前記第１の電極と接続され、その一部が前記容器外に引き出された第１の外部電極と、 前記第２の電極と接続され、その一部が前記容器外に引き出された第２の外部電極と、前記容器内に充填され、前記積層型フィルムコンデンサを封止する封止材と、を備えることを特徴とする。

本発明の第３の観点に係る電力変換システムは、直流電力と交流電力の一方を他方に変換する電力変換システムにおいて、前記第１の観点に係る積層型フィルムコンデンサ及び前記第２の観点に係るコンデンサモジュールの何れかが、直流電圧に重畳するサージを低減するための平滑用コンデンサとして使用されている、ことを特徴とする。

本発明によれば、ヒューズ機能付きの積層型フィルムコンデンサにおいて、層間で短絡が発生したときの静電容量の低下率を実質的に悪化させることなく、より小型の積層型フィルムコンデンサを提供し、そのような積層型フィルムコンデンサを使用した、より小型のコンデンサモジュールおよび電力変換システムを提供することができる。

本発明の実施の形態に係る積層型フィルムコンデンサの断面図である。 （ａ）は、図１に示す積層型フィルムコンデンサの上層部と下層部に配置される第１のフィルムの表面を示す図であり、（ｂ）は、図１に示す積層型フィルムコンデンサの中層部に配置される第１のフィルムの表面を示す図である。 （ａ）実施の形態に係る積層型フィルムコンデンサの第２のフィルムの表面を示す図であり、（ｂ）実施の形態に係る積層型フィルムコンデンサの第２のフィルムに対する第１のフィルムの配置を説明する図である。 （ａ）は、実施の形態の第１の変形例に係る積層型フィルムコンデンサの中層部に配置される第１のフィルムの表面を示す図であり、（ｂ）は、実施の形態の第１の変形例に係る積層型フィルムコンデンサの上層部と下層部に配置される第１のフィルムの表面を示す図である。 （ａ）は、実施の形態の第２の変形例に係る積層型フィルムコンデンサの中層部に配置される第１のフィルムの表面を示す図であり、（ｂ）は、実施の形態の第２の変形例に係る積層型フィルムコンデンサの上層部と下層部に配置される第１のフィルムの表面を示す図である。 （ａ）は、実施の形態に係る積層型フィルムコンデンサに外部電極を取り付けたコンデンサモジュールの斜視図であり、（ｂ）は、コンデンサモジュールの断面図である。 実施の形態に係る積層型フィルムコンデンサを使用する電力変換システムのブロック図である。

以下、本発明の実施の形態に係る積層型フィルムコンデンサを、図面を参照して説明する。なお、理解を容易にするため、直交座標系のｘ、ｙ、及びｚ軸を各図に示すように設定し、適宜参照する。ｚ方向は積層型フィルムコンデンサを構成する各層の積層方向であり、ｙ方向は、後述する内部電極を外部に引き出す方向である。

積層型フィルムコンデンサ１００は、図１の断面図（図２および図３に示すＡ−Ａの断面図）に示すように、第１のフィルム２０（図１の２０ａ、２０ｂを区別しない時の番号である）と、第２のフィルム２１と、第１のメタリコン部（第１の電極）１４と、第２のメタリコン部（第２の電極）１５とを備える。第１のフィルム２０（図１の２０ａ、２０ｂを区別しない時の番号である）と、第２のフィルム２１とは交互に、図示するｚ方向に積層され、その上層に保護用の層として絶縁物である誘電体フィルム１１の層を一層積層して積層体が形成される。第１のメタリコン部１４は、積層体のｙ方向の一方の端面に形成され、第２のメタリコン部１５は、積層体のｙ方向の他方の端面に形成される。積層型フィルムコンデンサ１００の使用時には、第１のメタリコン部１４及び第２のメタリコン部１５間には電圧が印加される。この例では偶数層の６層分が第１のフィルム２０、奇数層の６層分が第２のフィルム２１で構成される。なお、図１では層の番号は最下端の層を第１層目とし、上部の層に行くに従って層の番号を１ずつ増やしている。

第１のフィルム２０は第１のフィルム２０ａと２０ｂの２種類を含む。第１のフィルム２０ａは、図２（ａ）に示すように、誘電体フィルム１１と、その表面に形成された金属膜である第１の内部電極１２ａとを備える。第１のフィルム２０ｂは、図２（ｂ）に示すように、誘電体フィルム１１と、その表面に形成された金属膜である第１の内部電極１２ｂとを備える。

第２のフィルム２１は、図３（ａ）に示すように、誘電体フィルム１１と、その表面に形成された金属膜である第２の内部電極１３とを備える。

誘電体フィルム１１は、絶縁性の誘電体で形成される。材料は、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、マイカ、ポリスチレン（ＰＳ）、又はポリカーボネート（ＰＣ）などから選択される。各層の誘電体フィルム１１は、互いに厚さを含めて同一サイズの矩形状に形成されている。誘電体フィルム１１の厚さは通常数μｍ程度である。

第１の内部電極１２ａ，１２ｂは、誘電体フィルム１１の一主面（図では上面）に形成された金属膜から構成される。この金属膜は、例えばＡｌ、Ｃｕ、Ａｇ等の金属の蒸着膜で形成される。厚さは数十ｎｍである。第１の内部電極１２ａ，１２ｂは、図２に示すように、ヒューズ部１６を含む。このヒューズ部１６を機能させるために必要な抵抗値とするために、蒸着膜のような薄膜を金属膜として使用する。

図１に示すように、第１の内部電極１２ａは、下層部（第２層、第４層）と上層部（第１０層、第１２層）の誘電体フィルム１１の表面に形成され、第１の内部電極１２ｂは、中層部（第６層、第８層）の誘電体フィルム１１の表面に形成されている。

中層部は、積層型フィルムコンデンサ１００の積層方向の中央の層を含むあらかじめ定められた第１の層数の連続する層で構成される。上層部は、積層型フィルムコンデンサ１００の積層方向の上端の層を含むあらかじめ定められた第２の層数の連続する層で構成される。下層部は、積層型フィルムコンデンサ１００の積層方向の下端の層を含むあらかじめ定められた第３の層数の連続する層で構成される。

第２の内部電極１３は、誘電体フィルム１１の一主面（図では上面）に形成された金属膜から構成される。この金属膜は、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ等の金属の箔又は蒸着膜等で形成される。厚さは、箔の場合は数μｍ、蒸着膜の場合は数十ｎｍである。

第１の内部電極１２ａと第２の内部電極１３、及び第１の内部電極１２ｂと第２の内部電極１３とは、それぞれ誘電体フィルム１１を介して互いに対向して、コンデンサの対向電極を構成する。

第１のフィルム２０ａ、２０ｂと第２のフィルム２１とは、互いにｙ方向に長さｂだけずれ、且つ、それぞれのｘ方向の両端部が揃った状態でｚ方向に積層されている。

第１のメタリコン部１４は、第１のフィルム２０ａ、２０ｂ及び第２のフィルム２１の積層体のｙ方向の一側面に形成され、第１の内部電極１２ａ、１２ｂのそれぞれに共通に接続された導電性の皮膜である。第１のメタリコン部１４は、溶射材と呼ばれる導電性の材料を、加熱の後に第１のフィルム２０ａ、２０ｂのｙ方向の一側面に吹き付ける処理（メタリコン処理）によって形成される。

第２のメタリコン部１５は、第１のフィルム２０ａ、２０ｂ、及び第２のフィルム２１の積層体のｙ方向の他側面に形成され、第２の内部電極１３のそれぞれに共通に接続された導電性の皮膜である。第２のメタリコン部１５は、上述したメタリコン処理によって形成される。

上述の第１のメタリコン部１４と第２のメタリコン部１５とに、極性の異なる電圧が印加される。

次に、積層型フィルムコンデンサ１００を構成する第１のフィルム２０ａ、２０ｂ及び第２のフィルム２１の詳細を説明する。

第１のフィルム２０ａは、図２（ａ）に示すように、矩形状の誘電体フィルム１１の表面に、第１の内部電極１２ａが形成されたものである。

第１の内部電極１２ａは、容量形成部１２ａ１と、短絡電流が流れることにより溶断するヒューズ部１６と、第１のメタリコン部１４に接続される引き出し部１７と、を備える。

容量形成部１２ａ１も矩形状の金属膜である。容量形成部１２ａ１はヒューズ部１６と接続部し、容量形成部１２ａ１は、誘電体フィルム１１を介して第１の内部電極１３と対向配置されている。

ヒューズ部１６は、幅Ｗｏの金属膜で構成されている。ヒューズ部１６の一端は容量形成部１２ａ１の一辺に接続され、他端は、引き出し部１７に接続されている。

引き出し部１７は、誘電体フィルム１１のｙ方向の一方の端部から始まる矩形形状を有する。引き出し部１７は第１のメタリコン部１４と接続される。

ヒューズ部１６の幅Ｗｏは、図２（ａ）に示す容量形成部１２ａ１及び引き出し部１７の幅Ｗａよりも狭い。短絡電流がヒューズ部１６を経由して引き出し部１７に流れると、ヒューズ部１６は発熱し、溶断する。これにより、容量形成部１２ａ１が、引き出し部１７から切り離され、短絡電流が遮断される。

第１のフィルム２０ｂは、図２（ｂ）に示すように、矩形状の誘電体フィルム１１の表面に、第１の内部電極１２ｂが形成されたものである。

第１の内部電極１２ｂは、２つの容量形成部１２ｂ１と、２つの容量形成部１２ｂ１のそれぞれに接続されて短絡電流が流れることにより溶断する２つのヒューズ部１６と、２つのヒューズ部１６に接続され、且つ第１のメタリコン部１４に接続される引き出し部１７と、を備える。

容量形成部１２ｂ１は矩形状の金属膜であり、容量形成部１２ａ１を、ギャップ部１２ｂ２で２つに分割したものに対応する。２つの容量形成部１２ｂ１の面積の合計は容量形成部１２ａ１の面積よりもギャップ部１２ｂ２の面積分だけ小さい。２つの容量形成部１２ｂ１はそれぞれ、誘電体フィルム１１を介して第１の内部電極１３と対向配置されている。

第２のフィルム２１は、図３（ａ）に示すように、矩形状の誘電体フィルム１１に、第２の内部電極１３が形成されたものである。

第２の内部電極１３は、矩形状の金属膜である。ｙ方向の長さＬｃは第１の内部電極２０ａの容量形成部の長さＬａとヒューズ部１６の長さＬ_０と引き出し部１７のｙ方向の長さＬｂの合計に等しい。この金属膜は、誘電体フィルム１１上の、容量形成部１２ａ１又は１２ｂ１の引き出し部１７の配置されている側とは反対側のｙ方向の端部から形成されており、このｙ方向端部で第２のメタリコン部１５と接続される。

図３（ａ）（ｂ）には、第２のフィルム２１の第２の内部電極１３が第１のフィルム２０ａに対してｙ方向にｂだけずれて描かれている。このｂは、図１に示すｂに対応し、第１のフィルム２０ａと第２のフィルム２１とが互いにｙ方向に長さｂだけずらして積層されることを示す。第２のフィルム２１と第１のフィルム２０ｂとの積層時の配置関係も図３（ｂ）の第１のフィルム２０ｂを第１のフィルム２０ａに置き換えたものになる。積層状態で、第２の内部電極１３はこのｂに対応する部分が第１のフィルム２０ａ、又は２０ｂからｙ方向に露出する。第２のメタリコン部１５は、図１に示すように、この露出部分に接続される。一方、第１のフィルム２０ａ、又は２０ｂのそれぞれの引き出し部１７は、積層状態で、第２の内部電極１３からｙ方向に露出する。第１のメタリコン部１４は、図１に示すように、この露出部分に接続される。

次に、上記構成を有する積層型フィルムコンデンサ１００の製造方法を説明する。

まず、誘電体フィルム１１を準備し、その上に、第１の内部電極１２ａと第１の内部電極１２ｂと第２の内部電極１３とに対応するパターンの金属膜を、蒸着等により形成する。

次に、金属膜が形成された誘電体フィルム１１を切断し、図２（ａ）に示す第１の内部電極１２ａを有する第１のフィルム２０ａ、図２（ｂ）に示す第１の内部電極１２ｂを有する第１のフィルム２０ｂ、図３（ａ）に示す第２の内部電極１３を有する第２のフィルム２１を、複数枚生成する。

第１のフィルム２０ａと第１のフィルム２０ｂと第２のフィルム２１とは同じ大きさである。

次に、第１層目から第５層目までは、第１のフィルム２０ａと第２のフィルム２１とを、交互にｚ方向に積層し、第６層目から第９層目までは、第１のフィルム２０ｂと第２のフィルム２１とを、交互にｚ方向に積層し、第９層目から第１２層目までは、第１のフィルム２０ａと第２のフィルム２１とを、交互にｚ方向に積層する。

このとき、第１のフィルム２０ａ、２０ｂと第２のフィルム２１とは、ｘ方向のそれぞれの両端を揃え、図１及び図３に示すように、ｙ方向については互いに長さｂだけずらして積層する。また、最上層には内部電極の絶縁および保護のために、フィルム２０ａ，２０ｂ，２１と同じ大きさの誘電体フィルム１１を積層する。その後、これらを圧着処理して積層体を形成する。

次に、積層体のＹ方向の両側面に、メタリコン処理によって溶射材を吹き付け、第１のメタリコン部１４と第２のメタリコン部１５とを形成する。第１のフィルム２０ａ、２０ｂのそれぞれの引き出し部１７は積層体のＹ方向の一側面に形成された第１のメタリコン部１４と接続される。第２の内部電極１３は積層体のＹ方向の他の側面に形成された第２のメタリコン部１５と接続される。

第１のメタリコン部１４は第１の内部電極１２ａ、１２ｂを外部に引き出す第１の電極として機能し、第２のメタリコン部１５は第２の内部電極１３を外部に引き出す第２の電極として機能する。このようにして、積層型フィルムコンデンサ１００が製造される。

次にこの積層型フィルムコンデンサ１００の静電容量について説明する。使用時には第１のメタリコン部１４と第２のメタリコン部１５との間に電圧が印加される。この電圧印加により第１の内部電極１２ａと第２の内部電極１３との間、及び第１の内部電極１２ｂと第２の内部電極１３との間に電圧が印加される。静電容量は、誘電体フィルム１１を介して対向する容量形成部１２ａ１と第２の内部電極１３、及び２つの容量形成部１２ｂ１と、第２の内部電極１３とで、それぞれの対向する面積に比例して形成される。

２つの容量形成部１２ｂ１はそれぞれ対向する第２の内部電極１３との間で静電容量を形成する。２つの容量形成部１２ｂ１のそれぞれが形成する静電容量の合計は、容量形成部１２a１が対向する第２の内部電極１３との間で形成する静電容量よりも小さい。その理由は次の通りである。分割により、２つの容量形成部１２ｂ１の間にギャップ部１２ｂ２が配置される。ギャップ部１２ｂ２により、２つの容量形成部１２ｂ１の面積の合計が、容量形成部１２ａ１の面積に対して、そのギャップ部１２ｂ２の面積分減少する。この面積の減少により静電容量が減少する。内部電極の容量形成部の分割数を増加すると分割に伴い生じるギャップ部の数が増加するため、ギャップ部の合計面積も増加する。従って、分割数が増加すると静電容量も低減する。

誘電体フィルム１１を介して、容量形成部１２ａ１とその上下いずれかの層の第２の内部電極１３との間で短絡が発生すると、容量形成部１２ａ１に短絡電流が流れる。この短絡電流はヒューズ部１６、引き出し部１７、第１のメタリコン部１４を経由して外部電極に流れる。その結果、容量形成部１２ａ１に接続されたヒューズ部１６は、発熱し溶断する。ヒューズ部１６が溶断すると、短絡の発生した容量形成部１２ａ１は第１のメタリコン部１４から分離される。従って、積層型フィルムコンデンサ１００は短絡後も使用可能となる。短絡後の静電容量は、分離された容量形成部１２ａ１の面積に比例する分減少する。

２つの容量形成部１２ｂ１の一方とその上下いずれかの層の第２の内部電極１３との間で短絡が発生した場合も同様である。このとき、短絡後の静電容量は分離された容量形成部１２ｂ１の面積に比例する分減少する。

従って、２つに分割された容量形成部１２ｂ１が形成された中層部で短絡が発生したときの静電容量の低下率は、容量形成部１２ａ１が形成された下層部、上層部で短絡が発生したときの静電容量の低下率よりも小さい。

一方、下層部、上層部では容量形成部１２ａ１は分割されていないので、中層部のようにギャップ部１２ｂ２の存在により静電容量が低減するということはない。

次に、下層部、上層部と中層部とで容量形成部の分割数を変える理由について説明する。積層型フィルムコンデンサ１００では、積層方向に温度分布ができる。各層の第１の内部電極１２ａ、１２ｂ、第２の内部電極１３、及び第１のメタリコン部１４、及び第２のメタリコン部１５では、リップル電流等により使用時に熱が発生する。この熱の発生により積層方向に温度分布が生じ、積層方向の中央の層で最も温度が高く、上端、下端の層に近づくほどその層の温度は低減する。

各層を構成する誘電体フィルム１１の絶縁性は温度が高くなるほど低下する。絶縁性が低下すると短絡の発生率は増加する。従って層の温度はその層での短絡の発生率の指標となる。

容量形成部の分割数は、使用時の最高温度に基づいて決定される。しかし、下層部、及び上層部の各層の温度は中央の層の温度よりも低い。そのため、下層部及び上層部の各層での短絡の発生率は中央部の層に比べて低下する。そこで、下層部と上層部では容量形成部１２ａ１の分割数を中層部の分割数２より小さくして（図１−３の例では分割せずに）静電容量の増加を図ることを優先する。

次に、下層部、中層部、上層部の区分位置について説明する。以下、下層部内の中層部との境界に位置する層を下境界層、上層部内の中層部との境界に位置する層を上境界層と呼ぶことにする。

積層方向の温度分布は、通常、積層方向の中央部から上下の積層方向に対して略対称な分布となる。下境界層と上境界層は、両層のそれぞれの温度が実質的に同じになるような位置、すなわち、積層方向の中央部の層からほぼ同じ層数の位置に設定される。更に、温度分布の最高温度での短絡の発生率に対して、上下境界層の温度での短絡の発生率があらかじめ設定した程度（例えば１／１０）に小さくなるような温度の層に上下境界層の位置が設定される。短絡の発生率は、その層の温度に対する誘電体フィルム１１の、例えば絶縁性に基づいて判定される。

上記のように構成された積層型フィルムコンデンサ１００では、全層に対して容量形成部の分割数を一定にした従来の積層型フィルムコンデンサと比較すると、下層部、上層部で短絡が発生した場合の静電容量の低下率は大きい。しかし、下層部、上層部での短絡の発生率は中層部での短絡の発生率よりも小さい（例えば１／１０以下である）ため、積層型フィルムコンデンサ１００として、短絡により静電容量の低下率が大きくなる可能性は十分に低い。一方、全層の容量形成部の分割数を中層部に合わせた場合と比べて、定格静電容量は大きくなる。すなわち、実施の形態に係る積層型フィルムコンデンサ１１では、全層の容量形成部の分割数を中層部に合わせた場合と比べて、短絡時の静電容量の低下率を実質的には維持しつつ、定格静電容量を大きくすることができる。または、実施の形態に係る積層型フィルムコンデンサ１１では、全層の容量形成部の分割数を中層部に合わせた場合と比べて、短絡時の静電容量の低下率を実質的には維持しつつ、定格静電容量をより小さいサイズで実現することができる。すなわち積層型フィルムコンデンサ１００の小型化が可能である。

なお、図１、２に示す例では中層部で分割数２、下層部、上層部で分割数１としたが、これに限定されない。中層部の分割数が２よりも大きく、下層部、上層部の分割数は中層部の分割数よりも小さいという構成にしても良い。更に、積層数は図１に示す１３層に限定されず、任意である。この場合も短絡発生後の静電容量の低下率は上記説明と同様に実質的には維持されうる。定格静電容量は、最高温度で容量取得部の分割数を決定し、その分割数に従って全層の容量形成部を分割した場合に比べて定格静電容量を増加させることができる。換言すれば、より小型の積層型フィルムコンデンサ１００で所定の定格静電容量を実現することができる。

図２では下層部、上層部の容量形成部１２ａ１、及び中層部の容量形成部１２ｂ１の形状はＸＹ軸に平行な線で形成される矩形とした。しかし、容量形成部１２ａ１、１２ｂ１の形状はこのような矩形に限定されず、任意の形状でもよい。

図４（ａ）（ｂ）は、図２の（ａ）（ｂ）に示す容量形成部１２ａ１、１２ｂ１とは異なるパターンの容量形成部１２ａ１、１２ｂ１を示す。容量形成部１２ａ１、１２ｂ１はいずれも矩形であるが、図２の場合と異なる向きに配列されている。図４（ａ）（ｂ）にそれぞれ示された容量形成部１２ａ１、１２ｂ１は分割された後のものである。容量形成部１２ａ１は容量形成部１２ｂ１よりも分割数が少ない場合に対応している。各容量形成部１２ａ１，１２ｂ１の各辺は、誘電体フィルム１１の辺に対して、斜めに形成されており、ヒューズ部１６で互いに接続されている。ヒューズ部１６の近傍には分割に伴うギャップ部１２ａ２、１２ｂ２が存在する。

ヒューズ部１６をこのように配置することにより、ある箇所で短絡が生じてその容量形成部に接続されたヒューズ部１６が溶断し、その容量形成部が引き出し部１７から切り離されても、短絡の発生していない他の容量形成部は引き出し部１７との接続が維持される。

図４に示す例では同じ層であってもその表面の位置により容量形成部１２ａ１の形状と面積が異なることがある。容量形成部１２ｂ１の形状と面積も同様である。このような場合、各層の容量形成部１２ａ１の面積の平均値と容量形成部１２ｂ１の面積の平均値とを比べると、分割数が大きくなるほどこの面積の平均値は小さくなる。従って、平均的には、分割数が大きくなるに従って短絡時の静電容量の平均的な低下率は小さくなる。

また、ギャップ部１２ａ２の面積の合計はギャップ部１２ｂ２の面積の合計よりも大きい。そのため、容量形成部１２ａ１の面積の合計は容量形成部１２ｂ１の面積の合計よりも大きい。従って、分割数を小さくする層を増やすことにより静電容量は増加する。

従って、このような積層型フィルムコンデンサ１００においても、全層の容量形成部の分割数を中層部に合わせた場合と比べて、短絡時の静電容量の低下率を実質的には維持しつつ、定格静電容量を大きくすることができる。

図５は、上層部、下層部の容量形成部１２ａ１の形状と中層部の容量形成部１２ｂ１の形状とが異なる例である。この場合も、上層部、下層部の分割数は中層部の分割数よりも小さい。なお、容量形成部１２ｂ１は同じ層内の位置によりその形状、面積が異なるため、容量形成部１２ｂ１の面積は各容量形成部１２ｂ１の面積の平均値とする。容量形成部１２ａ１の面積も同様に面積の平均値とする。このとき、容量形成部１２ａ１の面積の平均値は、中層部の容量形成部１２ｂ１の面積の平均値よりも大きい。従って、このような層を備える積層型フィルムコンデンサ１００であっても、これまでの説明と同様な効果を奏することができる。

図１−３の例では、積層方向に領域を３分割し、下層部、中層部、上層部とした。しかし、積層方向の領域分割は３分割に限定されない。積層総数の範囲内で任意に設定できる。

例えば積層方向に領域を５分割する場合について説明する。分割された領域を、下方から第１の下層部、第２の下層部、中層部、第２の上層部、第１の上層部とする。

５つの領域の区分位置と各領域の容量形成部の分割数は、これまでの説明と同様に、積層方向の温度分布度に基づいて設定される。温度分布の最高温度と最低温度にそれぞれ対応する短絡の発生率が、最高温度を１としたとき、最低温度で、例えば１／２０になったとする。このときの短絡発生率を、例えば１、１／４、１／１０に区分する。

短絡発生率が１／１０となる温度の層を確認する。この層は２箇所ある。積層方向の下端側の層をＬ１層目とし、積層方向の上端側の層をＵ１層目とする。第１の下層部は下端の層からＬ１層目まで、第１の上層部はＵ１層目から上端の層までの層でそれぞれ構成される。第１の下層部と第１の上層部における短絡発生率は、最高温度に対する短絡発生率の１／１０以下である。

次に、短絡発生率が１／４となる温度の層を確認する。この層も２箇所ある。積層方向の下端側の層をＬ２層目とし、積層方向の上端側の層をＵ２層目とする。第２の下層部はＬ１＋１層目からＬ２層目まで、第１の上層部はＵ２層目からＵ１−１層目までの層でそれぞれ構成される。第２の下層部と第２の上層部における短絡発生率は、最高温度に対する短絡発生率の１／４以下である。

中層部は、Ｌ２＋１層目からＵ２−１層目までの層で構成される。中層部における短絡発生率は積層方向の最高温度に対する短絡発生率以下である。

それぞれの領域での容量形成部の分割数は、各領域の短絡発生率に基づき設定される。中層部での分割数をＮａとすると、第２の下層部と第２の上層部での分割数ＮｂはＮａよりも小さく設定される。第１の下層部と第２の上層部での分割数ＮｃはＮａよりも更に小さく設定される。

上記例では、第２の下層部と第２の上層部での短絡発生率は最大の短絡発生率の２５％以下で、第１の下層部と第１の上層部での短絡発生率は最大の短絡発生率の１０％以下である。第１の下層部と第１の上層部でＮｃをＮａ／３としたとき、その領域での短絡時の静電容量の低下率は中層部のときの３倍となる。しかし、短絡の発生率は１０％以下なので静電容量の低下率の期待値はもともとの１に対して１．３以下になる。第２の下層部と第２の上層部でＮｂをＮａ／２とすると、その領域での短絡時の静電容量の低下率は中層部のときの２倍となる。しかし、短絡の発生率は２５％以下なので静電容量の低下率の期待値はもともとの１に対して１．５以下になる。従って、トータルした期待値は１．４以下になる。この期待値が別途定める許容範囲内にあれば、短絡時の静電容量の低下率を実質的に維持できていると評価することができる。

一方、容量形成部の分割数を低減することにより、既に説明したように静電容量が増加するという効果が得られる。

本実施の形態に係る積層型フィルムコンデンサでは、積層方向の領域分割数に依らず、短絡時の静電容量の低下率を実質的に維持しつつ、定格静電容量を増加させることができる、又は小型化した積層型フィルムコンデンサで定格静電容量を実現できる。比較対象は使用時の最高温度に基づき内部電極の容量形成部の分割数を設定し、全層にこの分割数を適用する場合である。

図６に、積層型フィルムコンデンサ１００を使って形成されたコンデンサモジュール２００を示す。図６（ａ）は、第１の外部電極３０と第２の外部電極３１とが、積層型フィルムコンデンサ１００のそれぞれ第１のメタリコン部１４と第２のメタリコン部１５（第２のメタリコン部１５については図の下面に隠れていて描かれていない）とに接触するように取り付けられた積層型フィルムコンデンサ１００の斜視図である。

第１の外部電極３０は一方の先端部に第１の外部電極端子３０ａを備え、第２の外部電極３１は一方の先端部に第２の外部電極端子３１ａを備える。第１の外部電極端子３０ａ及び第２の外部電極端子３１ａは、それぞれ、バスバーなどへの取り付け穴を有する。第１の外部電極３０と第２の外部電極３１とは積層型フィルムコンデンサ１００に、例えば圧着、又は図示を省略したメッキ部を介して圧着されている。なお、図６（ａ）で、積層型フィルムコンデンサ１００の第１のフィルム、及び第２のフィルムの積層方向は矢印で示す方向である。

Ｃ−Ｃ断面上に第１のフィルム１０の第１の内部電極１２ｂが位置するとして、図６（ａ）では、Ｃ−Ｃ断面上に位置する第１の内部電極１２ｂのみを破線で示した。第１の内部電極１２ｂは第１のメタリコン部１４と接続され、第２のメタリコン部１５とは離れている。図示していないが第１の内部電極１２ａも同様に第１のメタリコン部１４と接続されている。第２の内部電極１３は、図示した第１の内部電極１２ｂと平行に誘電体フィルム１１を介して積層方向に配置され、第２のメタリコン部１５と接続され、第１のメタリコン部１４とは離れている（図示されていない）。図６（ａ）では、このように第１の内部電極２と第２の内部電極３が誘電体フィルム１を介して積層方向に交互に配置されている。

図６（ｂ）は、コンデンサモジュール２００の断面図を示す。断面位置は、図６（ａ）のＣ−Ｃに対応する。コンデンサモジュール２００は、第１の外部電極３０と第２の外部電極３１とが取り付けられた積層型フィルムコンデンサ１００と、これを収納する容器１１０と、容器１１０内を封止する封止材１２０とを備える。図６（ａ）で説明したように、Ｃ−Ｃ断面には第１の内部電極１２ｂが位置しており、第１のメタリコン部１４と接続している。なお、図６（ｂ）では、積層型フィルムコンデンサ１００、第１の外部電極３０、第２の外部電極３１及び容器１１０については見やすくするためにハッチングを付していない。第１のメタリコン部１４、第２のメタリコン部１５についてはハッチングに代え黒く塗りつぶした。

容器１１０は、各種樹脂などの電気絶縁材で構成され、第１の外部電極３０と第２の外部電極３１とが取り付けられた積層型フィルムコンデンサ１００を収納するための、取り外し可能な蓋部（図示略）と、第１の外部電極端子３０ａと第２の外部電極端子３１ａのそれぞれの先端部を外部に露出させるためのスリット状の穴（図示略）とを備える。

封止材１２０は、容器１１０内に充填し、第１の外部電極３０と第２の外部電極３１とが取り付けられた積層型フィルムコンデンサ１００を容器１１０内で固定する。封止材１２０は、外部から容器１１０へ衝撃が加わったときの積層型フィルムコンデンサ１００に対する緩衝材としても機能する。

積層型フィルムコンデンサ１００をこのようなコンデンサモジュール２００にして使用することにより、積層型フィルムコンデンサ１００に関する上記効果に加え、積層型フィルムコンデンサ１００を外部に対して保護することができる。更に、取り付け穴を有する外部端子を備えることにより、積層型フィルムコンデンサ１００を回路に容易に取り付けることができるようになる。

なお、コンデンサモジュール２００は、積層型フィルムコンデンサ１００を複数個、例えば３個、容器１１０に収納して構成されてもよい。このとき第１の外部電極３０は各積層型フィルムコンデンサ１００のそれぞれの第１のメタリコン部１４に接続され、第２の外部電極３１は各積層型フィルムコンデンサ１００のそれぞれの第２のメタリコン部１５に接続される。また、第１の外部電極３０は、例えば、それぞれの積層型フィルムコンデンサ１００に対応して第１の外部電極端子３０ａを備え、第２の外部電極３１は、例えば、それぞれの積層型フィルムコンデンサ１００に対応して第２の外部電極端子３１ａを備える。すなわち、第１の外部電極端子３０ａ及び第２の外部電極端子３１ａは積層型フィルムコンデンサ１００の収納数に対応してそれぞれ３個装備される。この場合のコンデンサモジュール２００も、積層型フィルムコンデンサ１００を１個収納したときと同様の効果を奏することができる。

図７に、実施形態１に係る積層型フィルムコンデンサ１００を利用した電力変換システム３００の例を示す。図１１に示す電力変換システム３００は、直流電源３１０からの直流電力を三相交流電力に変換し、三相電力供給線３５０を介してモータ３６０に供給する。

電力変換システム３００は、直流電源３１０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２０と、ＤＣリンクコンデンサ３３０と、三相インバータ３４０と、を備える。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２０は、入力コンデンサ３２１と、電圧変換回路３２２と、を備える。

直流電源３１０は、例えばバッテリ（二次電池）である。

ＤＣ／ＤＣコンバータ３２０は、直流電源３１０から直流電力が供給されている場合、入力コンデンサ３２１を介して直流電圧を入力し、電圧変換回路３２２で昇圧して出力する。入力コンデンサ３２１は、直流電源３１０から供給された直流電圧に重畳するサージを低減するための平滑化コンデンサであり、コンデンサモジュール２００から構成されている。

ＤＣ／ＤＣコンバータ３２０の出力である昇圧された直流電圧は、ＤＣリンクコンデンサ３３０を介して三相インバータ３４０に印加される。ＤＣリンクコンデンサ３３０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２０から出力された直流電圧に重畳するサージを低減するための平滑化コンデンサであり、コンデンサモジュール２００から構成されている。三相インバータ３４０は入力された直流電力を三相交流電力に変換して出力する。出力された三相交流電力は、三相電力供給線３５０を介してモータ３６０に供給される。

一方、三相インバータ３４０は、モータ３６０の回転に伴って発電された三相交流電力を入力した場合、入力された三相交流電力を直流電力に変換してＤＣリンクコンデンサ３３０に出力する。ＤＣリンクコンデンサ３３０は、三相インバータ３４０から出力された直流電圧に重畳するサージを低減する。

そして、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２０は、ＤＣリンクコンデンサ３３０から出力された直流電圧を電圧変換回路３２２で降圧して、その降圧した直流電圧を入力コンデンサ３２１で平滑化する。そして、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２０は、直流電力を、直流電源３１０に供給して、バッテリである直流電源３１０を充電する。

実施形態１に係る積層型フィルムコンデンサ１００は既に説明したとおり、従来品に比べて、短絡時の静電容量の低下率を実質的に悪化させることなく、小型化が可能である。そのため、入力コンデンサ３２１及びＤＣリンクコンデンサ３３０に、実施形態１に係る積層型フィルムコンデンサ１００を含むコンデンサモジュール２００を使用することにより、電力変換システム３００の小型化を図ることが出来る。

本発明は、本発明の広義の思想と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態および変形が可能である。また、上述した実施の形態は、本発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。即ち、本発明の範囲は、上述した実施の形態ではなく、請求の範囲によって示される。そして、請求の範囲内およびそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、本発明の範囲内とみなされる。

１１ 誘電体フィルム
１２ａ，１２ｂ 第１の内部電極
１２ａ１，１２ｂ１ 容量形成部
１３ 第２の内部電極
１４ 第１のメタリコン部（第１の電極）
１５ 第２のメタリコン部（第２の電極）
１６ ヒューズ部
１７ 引き出し部
２０ａ，２０ｂ 第１のフィルム
２１ 第２のフィルム
３０ 第１の外部電極
３０ａ 第１の外部電極端子
３１ 第２の外部電極
３１ａ 第２の外部電極端子
１００ 積層型フィルムコンデンサ
１１０ 容器
１２０ 封止材
２００ コンデンサモジュール
３００ 電力変換システム
３１０ 直流電源
３２０ ＤＣ／ＤＣコンバータ
３２１ 入力コンデンサ
３２２ 電圧変換回路
３３０ ＤＣリンクコンデンサ
３４０ 三相インバータ
３５０ 三相電力供給線
３６０ モータ

Claims (3)

1. 誘電体フィルム上に第１の内部電極が形成された第１のフィルムと誘電体フィルム上に第２の内部電極が形成された第２のフィルムとが、交互に複数積層された積層体と、
   前記第１の内部電極に接続された第１の電極と、
   前記第２の内部電極に接続された第２の電極と、
   を備え、
   前記第１の内部電極は、
   前記第２の内部電極と対向配置されて静電容量を形成する１以上の容量形成部と、
   前記第１の電極と接続される引き出し部と、
   前記容量形成部と前記引き出し部との間又は複数の前記容量形成部の間に配置されたヒューズ部と、
   を備える積層型フィルムコンデンサであって、
   前記積層体の積層方向の一端の層を含む連続した複数の層と、前記積層体の前記積層方向の他端の層を含む連続した層とに配置されている前記容量形成部のうち最大のものの面積は、前記積層体の前記積層方向の中央の層を含む連続した複数の層に含まれる前記容量形成部の面積よりも大きい、
   ことを特徴とする積層型フィルムコンデンサ。
2. 請求項１に記載の１個以上の積層型フィルムコンデンサと、
   前記１個以上の積層型フィルムコンデンサを収納する容器と、
   前記第１の電極と接続され、その一部が前記容器外に引き出された第１の外部電極と、
   前記第２の電極と接続され、その一部が前記容器外に引き出された第２の外部電極と、
   前記容器内に充填され、前記積層型フィルムコンデンサを封止する封止材と、
   を備えることを特徴とするコンデンサモジュール。
3. 直流電力と交流電力の一方を他方に変換する電力変換システムにおいて、
   請求項１に記載の積層型フィルムコンデンサ及び請求項２に記載のコンデンサモジュールの何れかが、直流電圧に重畳するサージを低減するための平滑用コンデンサとして使用されている、
   ことを特徴とする電力変換システム。

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