JP6455523B2 - コンデンサ回路、コンデンサモジュールおよび電力変換システム - Google Patents
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Description
本発明は、コンデンサ回路、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。
従来、スイッチング素子を含む電力変換回路へ直流電力を供給する電源回路の出力端間にスナバ回路を接続し、電力変換回路で発生するサージ電圧をスナバ回路で吸収する電力変換システムが提案されている（例えば特許文献１参照）。この電力変換システムでは、スナバ回路として、２個のコンデンサが直列に接続されたコンデンサ回路が採用されている。これにより、直列に接続されたコンデンサのうちの１つが短絡故障しても電源回路の出力端間が短絡せず電力変換回路内に大電流が流れてしまうことを防止できる。なお、この種の電力変換システムでは、例えば平滑化用のコンデンサと並列にスナバ回路を接続する場合がある。そして、平滑化用のコンデンサとスナバ回路とを一体に組み合わせたモジュールをコンデンサモジュールと称する場合がある。
しかしながら、特許文献１に記載された構成では、コンデンサ回路を構成するコンデンサとして、例えばいわゆる低誘電率系のセラミックコンデンサまたはフィルムコンデンサを使用した場合、２個のコンデンサのうちの１つが短絡故障するとコンデンサ回路全体の静電容量が変化してしまう。この場合、コンデンサ回路のサージ電圧吸収特性が変化してしまう。
本発明は、上記事由に鑑みてなされたものであり、故障時の静電容量の変動を抑制できるコンデンサ回路、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。
本発明に係るコンデンサ回路は、
直列に接続された複数のセラミックコンデンサを備えるコンデンサ回路であって、
前記複数のセラミックコンデンサ各々は、
電極間に介在する強誘電体層を有し、
第１電圧印加時の静電容量が前記第１電圧よりも高い第２電圧印加時の静電容量に比べて大きく且つ略同一の直流バイアス特性を有し、
前記第１電圧は、前記コンデンサ回路に予め設定された第３電圧が印加された場合に各セラミックコンデンサに印加される電圧であり、
前記第２電圧は、いずれか１つのセラミックコンデンサが短絡故障した前記コンデンサ回路に前記第３電圧を印加した場合に各セラミックコンデンサに印加される電圧であり、
前記複数のセラミックコンデンサの個数は、ｎ（ｎは２以上の整数）個であり、
前記複数のセラミックコンデンサは、前記第３電圧をＶ１として、電圧Ｖ１／ｎ印加時における静電容量をＣ（Ｖ１／ｎ）、電圧Ｖ１／ｎのｎ／（ｎ−１）倍の電圧Ｖ１／（ｎ−１）印加時における静電容量をＣ（Ｖ１／（ｎ−１））、許容値を△とすると、下記式（１）の関係式が成立するように、直流バイアス特性を有し、下記式（１）におけるΔは０．１に設定されている。
（１−△）×Ｃ（Ｖ１／ｎ）×（ｎ−１）／ｎ≦Ｃ（Ｖ１／（ｎ−１））≦（１＋△）×Ｃ（Ｖ１／ｎ）×（ｎ−１）／ｎ・・・式（１）
直列に接続された複数のセラミックコンデンサを備えるコンデンサ回路であって、
前記複数のセラミックコンデンサ各々は、
電極間に介在する強誘電体層を有し、
第１電圧印加時の静電容量が前記第１電圧よりも高い第２電圧印加時の静電容量に比べて大きく且つ略同一の直流バイアス特性を有し、
前記第１電圧は、前記コンデンサ回路に予め設定された第３電圧が印加された場合に各セラミックコンデンサに印加される電圧であり、
前記第２電圧は、いずれか１つのセラミックコンデンサが短絡故障した前記コンデンサ回路に前記第３電圧を印加した場合に各セラミックコンデンサに印加される電圧であり、
前記複数のセラミックコンデンサの個数は、ｎ（ｎは２以上の整数）個であり、
前記複数のセラミックコンデンサは、前記第３電圧をＶ１として、電圧Ｖ１／ｎ印加時における静電容量をＣ（Ｖ１／ｎ）、電圧Ｖ１／ｎのｎ／（ｎ−１）倍の電圧Ｖ１／（ｎ−１）印加時における静電容量をＣ（Ｖ１／（ｎ−１））、許容値を△とすると、下記式（１）の関係式が成立するように、直流バイアス特性を有し、下記式（１）におけるΔは０．１に設定されている。
（１−△）×Ｃ（Ｖ１／ｎ）×（ｎ−１）／ｎ≦Ｃ（Ｖ１／（ｎ−１））≦（１＋△）×Ｃ（Ｖ１／ｎ）×（ｎ−１）／ｎ・・・式（１）
また、本発明に係るコンデンサ回路は、
前記強誘電体層は、前記複数のセラミックコンデンサそれぞれの材料が同一に設定されたものであってもよい。
前記強誘電体層は、前記複数のセラミックコンデンサそれぞれの材料が同一に設定されたものであってもよい。
また、本発明に係るコンデンサ回路は、
前記複数のセラミックコンデンサそれぞれに並列に接続された抵抗を備え、
前記複数の抵抗それぞれの抵抗値は、略同一であってもよい。
前記複数のセラミックコンデンサそれぞれに並列に接続された抵抗を備え、
前記複数の抵抗それぞれの抵抗値は、略同一であってもよい。
また、本発明に係るコンデンサモジュールは、
フィルムコンデンサと、
前記フィルムコンデンサと並列に接続された前記コンデンサ回路と、を備える。
フィルムコンデンサと、
前記フィルムコンデンサと並列に接続された前記コンデンサ回路と、を備える。
また、本発明に係る電力変換システムは、
電源の出力端間に接続された、前記コンデンサモジュールと、
前記電源の出力端間に接続され、直流から交流にまたは交流から直流に変換する電力変換回路と、を備える。
電源の出力端間に接続された、前記コンデンサモジュールと、
前記電源の出力端間に接続され、直流から交流にまたは交流から直流に変換する電力変換回路と、を備える。
本発明によれば、コンデンサ回路において、セラミックコンデンサのいずれか１つが短絡故障した場合、他のセラミックコンデンサへの印加電圧が上昇し、他のセラミックコンデンサの静電容量は小さくなる。セラミックコンデンサ個々の静電容量が減少することにより、セラミックコンデンサの短絡故障したときのコンデンサ回路全体の静電容量の変動を抑制できる。
以下、本発明の各実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
（実施の形態１）
本実施の形態に係るコンデンサモジュール１は、図１（ａ）および（ｂ）に示すように、複数（図１では６つ）のフィルムコンデンサ１１と正極バスバー１３と負極バスバー１５と絶縁部材１７と絶縁基板１９とコンデンサ回路２２とハウジング２３とを備える。ここで、図１（ａ）は、図１（ｂ）におけるＢ−Ｂ線に対応する断面矢視図である。
本実施の形態に係るコンデンサモジュール１は、図１（ａ）および（ｂ）に示すように、複数（図１では６つ）のフィルムコンデンサ１１と正極バスバー１３と負極バスバー１５と絶縁部材１７と絶縁基板１９とコンデンサ回路２２とハウジング２３とを備える。ここで、図１（ａ）は、図１（ｂ）におけるＢ−Ｂ線に対応する断面矢視図である。
フィルムコンデンサ１１は、プラスチックフィルムの巻回軸方向（図１（ａ）および（ｂ）におけるＺ方向）両端部に電極が設けられている。フィルムコンデンサ１１は、フィルムコンデンサ１１とハウジング２３との間に充填されたモールド材（図示せず）によりモールドされている。
正極バスバー１３および負極バスバー１５は、複数のフィルムコンデンサ１１を並列に接続する。正極バスバー１３および負極バスバー１５は、例えばアルミニウム等の金属材料またはその他導電性材料から構成される。
正極バスバー１３は、矩形板状の主片１３１と、細長の矩形板状であり、主片１３１周部の一箇所から主片１３１の厚さ方向に直交する方向へ延出する端子片１３３と、を有する。端子片１３３は、その先端部に正極接続孔１３５が設けられている。正極接続孔１３５は、端子片１３３の厚さ方向に貫通する貫通孔である。主片１３１は、複数のフィルムコンデンサ１１全ての正電極と電気的に接続されている。正極バスバー１３は、正極接続孔１３５を利用して他のモジュールに接続されている。
負極バスバー１５は、矩形板状に形成された主片１５１と、細長の矩形板をＬ字状に折り曲げた形状を有する端子片１５３と、を有する。端子片１５３は、図１（ｂ）に示すように、主片１５１周部の一箇所から主片１５１の厚さ方向に沿った一方向へ延出する第１部位１５３ａと、第１部位１５３ａの先端部から主片１５１の厚さ方向に直交する方向へ延出する第２部位１５３ｂとから構成される。第２部位１５３ｂの先端部には、負極接続孔１５５が設けられている。負極接続孔１５５は、第２部位１５３ｂの厚さ方向に貫通する貫通孔である。主片１５１は、複数のフィルムコンデンサ１１全ての負電極と電気的に接続されている。負極バスバー１５は、負極接続孔１５５を利用して他のモジュールに接続されている。
絶縁部材１７は、正極バスバー１３と負極バスバー１５とが互いに対向する部位に介在し、正極バスバー１３と負極バスバー１５とを電気的に絶縁する。絶縁部材１７は、例えばＰＰ（ポリプロピレン）フィルム等の樹脂フィルムを積層してなる絶縁紙から構成される。なお、絶縁部材１７は、前述の絶縁紙に限定されるものではない。
絶縁基板１９は、その上に、２つのセラミックコンデンサ２１と、導電パターン１９１と、が配設されている。絶縁基板１９は、セラミックコンデンサ２１および導電パターン１９１と、正極バスバー１３および負極バスバー１５と、の間の沿面距離を長くする役割を担う。絶縁基板１９は、例えばガラスエポキシ基板等から構成される。導電パターン１９１は、例えばアルミニウム等の金属材料やその他導電性材料から形成される。
コンデンサ回路２２は、直列接続された２つのセラミックコンデンサ２１と、セラミックコンデンサ２１を正極バスバー１３、負極バスバー１５に接続する導電パターン１９１と、から構成される。２つのセラミックコンデンサ２１の直流バイアス特性は略同一である。導電パターン１９１の両端部には、それぞれ絶縁基板１９を厚さ方向に貫通する貫通ビア１９３が形成されている。導電パターン１９１は、貫通ビア１９３を介して正極バスバー１３の端子片１３３および負極バスバー１５の端子片１５３と電気的に接続されている。
セラミックコンデンサ２１は、図２に示すような、強誘電体材料から形成された強誘電体層を有するいわゆる高誘電率系の積層セラミックコンデンサである。セラミックコンデンサ２１は、強誘電体層２１２と導電体層（電極）２１３とが交互に複数積層された略直方体状の積層体２１１と、積層体２１１の積層方向（図２のＺ方向）に直交する方向（図２のＹ方向）における両端部をそれぞれ覆う一対の外部電極２１４ａ、２１４ｂと、を備える。
積層体２１１は、内層部２１１ｍと、内層部２１１ｍに対して積層方向における両側それぞれに位置する第１外層部２１２ｂ１および第２外層部２１２ｂ２と、から構成される。
内層部２１１ｍの複数の導電体層２１３は、外部電極（例えば正電極）２１４ａに電気的に接続された導電体層２１３Ａと、外部電極（例えば負電極）２１４ｂに電気的に接続された導電体層２１３Ｂと、から構成される。導電体層２１３Ａおよび導電体層２１３Ｂは、積層体２１１の積層方向から見た場合、それらの一部が互いに重なるように配置されている。具体的には、導電体層２１３Ａにおける外部電極２１４ｂ側（図２の−Ｙ方向側）の一部と、導電体層２１３Ｂにおける外部電極２１４ａ側（図２の＋Ｙ方向側）の一部と、が互いに重なる。換言すれば、導電体層２１３Ａは、導電体層２１３Ｂよりも＋Ｙ方向側にその端部が突出し、導電体層２１３Ｂは、導電体層２１３Ａよりも−Ｙ方向側にその端部が突出している。内層部２１１ｍの複数の強誘電体層２１２は、同じ厚さに設定されている。強誘電体層２１２は、例えばチタン酸バリウム系のセラミック材料から形成される。導電体層２１３は、例えばニッケル、銀等の金属材料から形成される。
第１外層部２１２ｂ１および第２外層部２１２ｂ２は、内層部２１１ｍの上記積層方向における両側に位置する絶縁体層である。図２に示す例では、第１外層部２１２ｂ１および第２外層部２１２ｂ２は、強誘電体層２１２から構成されている。
図１に戻って、ハウジング２３は、フィルムコンデンサ１１やコンデンサ回路２２等を収納する。ハウジング２３は、例えば金属や放熱性のよい樹脂材料等から形成される。ハウジング２３は、略矩形箱状の形状を有し、側壁の一部に正極バスバー１３、負極バスバー１５の端子片１３３、１５３の先端部をハウジング２３の外部に突出させるための貫通孔２３１が形成されている。
次に、本実施の形態に係るコンデンサ回路２２を構成するセラミックコンデンサ２１の直流バイアス特性について説明する。
コンデンサ回路２２を構成するセラミックコンデンサ２１の特性は、内層部２１１ｍに含まれる強誘電体層２１２の材料と、内層部２１１ｍ含まれる強誘電体層２１２の厚さＷ１（図２参照）と、内層部２１１ｍに含まれる導電体層２１３の実効面積とにより決まる。ここで、導電体層２１３の実効面積は、導電体層２１３の積層数と、導電体層２１３Ａと導電体層２１３Ｂとの重なり部分の面積Ｓ１（図２参照）と、によって変化する。セラミックコンデンサ２１の直流バイアス特性は、電圧の増加とともに静電容量が減少するような静電容量の電圧依存性を示す特性曲線で表される。従って、強誘電体材料を用いたセラミックコンデンサ２１は、ある第１電圧印加時の静電容量が第１電圧よりも高い第２電圧印加時の静電容量に比べて大きい。この特性曲線の傾きは、内層部２１１ｍ含まれる強誘電体層２１２の材料と厚さＷ１とに依存する。即ち、電圧Ｖ１印加時の静電容量と、電圧Ｖ２印加時の静電容量との差は、内層部２１１ｍ含まれる強誘電体層２１２の材料と厚さＷ１とにより決定される。また、セラミックコンデンサ２１の材料および内層部２１１ｍの強誘電体層２１２の厚さを決定して特性曲線の傾きを決めた場合、特性曲線で表される静電容量の絶対値は、導電体層２１３の実効面積に依存する。
コンデンサ回路２２を構成するセラミックコンデンサ２１の特性は、内層部２１１ｍに含まれる強誘電体層２１２の材料と、内層部２１１ｍ含まれる強誘電体層２１２の厚さＷ１（図２参照）と、内層部２１１ｍに含まれる導電体層２１３の実効面積とにより決まる。ここで、導電体層２１３の実効面積は、導電体層２１３の積層数と、導電体層２１３Ａと導電体層２１３Ｂとの重なり部分の面積Ｓ１（図２参照）と、によって変化する。セラミックコンデンサ２１の直流バイアス特性は、電圧の増加とともに静電容量が減少するような静電容量の電圧依存性を示す特性曲線で表される。従って、強誘電体材料を用いたセラミックコンデンサ２１は、ある第１電圧印加時の静電容量が第１電圧よりも高い第２電圧印加時の静電容量に比べて大きい。この特性曲線の傾きは、内層部２１１ｍ含まれる強誘電体層２１２の材料と厚さＷ１とに依存する。即ち、電圧Ｖ１印加時の静電容量と、電圧Ｖ２印加時の静電容量との差は、内層部２１１ｍ含まれる強誘電体層２１２の材料と厚さＷ１とにより決定される。また、セラミックコンデンサ２１の材料および内層部２１１ｍの強誘電体層２１２の厚さを決定して特性曲線の傾きを決めた場合、特性曲線で表される静電容量の絶対値は、導電体層２１３の実効面積に依存する。
図３に、このようなセラミックコンデンサ２１の直流バイアス特性の一例を示す。図３は、セラミックコンデンサ２１単体に印加される電圧に対する静電容量の変化を示している。図３の特性曲線Ｌ１で表される例では、内層部２１１ｍに含まれる強誘電体層２１２を形成する材料としてＢａＴｉＯ３−ＢａＺｒＯ３−Ｇｄ（組成比１００：９：１２）を主成分とするセラミック材料を採用している。また、内層部２１１ｍに含まれる強誘電体層２１２の厚さを４０μｍとしている。更に、内層部２１１ｍにおける強誘電体層２１３の積層数が４５層であり、導電体層２１３Ａと導電体層２１３Ｂとの重なり部分の面積Ｓ１を１０ｍｍ２である。図３の特性曲線Ｌ１で表される直流バイアス特性は、３００Ｖ印加時の静電容量が１００ｎＦであり、６００Ｖ印加時の静電容量が５０ｎＦである。
内層部２１１ｍに含まれる強誘電体層２１２の厚さＷ１をより厚くすると、例えば図３の特性曲線Ｌ２で表されるように、特性曲線Ｌ１よりも傾きが小さくなる。一方、内層部２１１ｍに含まれる強誘電体層２１２の厚さＷ１をより薄くすると、例えば図３の特性曲線Ｌ３で表されるように、特性曲線Ｌ１よりも傾きが大きくなる。つまり、内層部２１１ｍに含まれる強誘電体層２１２の材料が同じであっても強誘電体層２１２の厚さを変化させることにより直流バイアス特性を変化させることができる。なお、図３に示す例では、強誘電体層２１２の厚さを変化させた上で、内層部２１１ｍに含まれる導電体層２１３の実効面積を変化させて、３つの特性曲線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の全ての３００Ｖ印加時の静電容量が１００ｎＦとなるように設定されている。強誘電体層２１２の厚さを厚くすると、３００Ｖ印加時の静電容量と６００Ｖ印加時の静電容量との差が５０ｎＦより小さくなり、強誘電体層２１２の厚さをより薄くすると、３００Ｖ印加時の静電容量と６００Ｖ印加時の静電容量との差が５０ｎＦより大きくなる。
次に、本実施の形態に係るコンデンサ回路２２の特性について説明する。ここで、コンデンサ回路２２に定格電圧（第３電圧）が印加された場合に各セラミックコンデンサ２１に印加される電圧を第１電圧とする。また、いずれか１つのセラミックコンデンサ２１が短絡故障したコンデンサ回路（以下、「故障したコンデンサ回路」と称する。）２２に定格電圧を印加した場合に各セラミックコンデンサ２１に印加される電圧を第２電圧とする。ここで、「定格電圧」とは、例えばコンデンサ回路２２に接続される電気回路の仕様等により予め設定される電圧を意味する。
この場合、図４（ａ）に示すように、コンデンサ回路２２に定格電圧Ｖ１が印加されると、第１電圧は、電圧Ｖ１／２となる。このとき、各セラミックコンデンサ２１Ａ、２１Ｂの静電容量は、Ｃ（Ｖ１／２）となり、コンデンサ回路２２の静電容量は、Ｃ（Ｖ１／２）／２となる。なお、Ｃ（Ｖ）は、セラミックコンデンサ２１の電圧Ｖ印加時における静電容量を意味する。以下、本明細書においては同様である。
また、図４（ｂ）に示すように、セラミックコンデンサ２１Ａが短絡故障している場合、セラミックコンデンサ２１Ｂに印加される第２電圧は、正常時の２倍の電圧Ｖ１となる。このとき、セラミックコンデンサ２１Ｂの静電容量は、Ｃ（Ｖ１）になる。
図４（ａ）に示すように、正常なコンデンサ回路２２に定格電圧Ｖ１が印加されると、コンデンサ回路２２全体の静電容量は、Ｃ（Ｖ１／２）／２となる。一方、一つのセラミックコンデンサ２１が短絡故障したコンデンサ回路２２に定格電圧Ｖ１が印加されると、コンデンサ回路２２全体の静電容量は、Ｃ（Ｖ１）となる。
ところで、直列に接続された２つのコンデンサを備えるコンデンサ回路として、各コンデンサの静電容量が印加電圧に依らず一定であるコンデンサ回路を想定する。このコンデンサ回路の場合、いずれか１つのコンデンサが短絡故障すると、コンデンサ回路全体の静電容量は、正常な場合の静電容量の２倍に変動してしまう。これに対して、本実施の形態に係るコンデンサ回路２２のように、電圧の増加とともに静電容量が減少するような直流バイアス特性を有するセラミックコンデンサ２１を備える構成では、いずれか１つのコンデンサ２１が短絡故障して正常なセラミックコンデンサ２１への印加電圧が上昇すると、セラミックコンデンサ２１の静電容量が減少する。これにより、コンデンサ回路２２全体の静電容量の急激な変動を抑制することができる。
更に好ましくは、セラミックコンデンサ２１の直流バイアス特性は、Ｃ（Ｖ１／２）／２＝Ｃ（Ｖ１）の関係が成立するように設計されていることである。即ち、セラミックコンデンサ２１の直流バイアス特性は、正常なコンデンサ回路２２全体の静電容量と故障したコンデンサ回路２２全体の静電容量とが等しくなるように設定される。これにより、設計上、コンデンサ回路２２を構成する２つのセラミックコンデンサ２１のうちのいずれか１つが短絡故障してもコンデンサ回路２２全体の静電容量は変化しない。
例えばコンデンサ回路２２に印加される定格電圧が６００Ｖであるとする。この場合、例えば図３の特性曲線Ｌ１で表される直流バイアス特性を有するセラミックコンデンサ２１をコンデンサ回路２２に用いればよい。図３の特性曲線Ｌ１で表される直流バイアス特性を有するセラミックコンデンサ２１の場合、Ｃ（３００Ｖ）＝１００ｎＦ、Ｃ（６００Ｖ）＝５０ｎＦである。従って、Ｃ（３００Ｖ）×（１／２）＝Ｃ（６００Ｖ）の関係が成立する。つまり、設計上、コンデンサ回路２２は、一つのセラミックコンデンサ２１が短絡故障してもコンデンサ回路２２全体の静電容量は変化しない。
しかし、Ｃ（Ｖ１／２）／２＝Ｃ（Ｖ１）の関係が成立するようなセラミックコンデンサ２１を製作または選択することは、セラミックコンデンサ２１の製造誤差等の影響を考慮すれば難しい。そこで、本実施の形態に係るコンデンサ回路２２では、正常なコンデンサ回路２２全体の静電容量に対する故障したコンデンサ回路２２全体の静電容量の変化率について許容値△を設定する。そして、正常なコンデンサ回路２２全体の静電容量Ｃ（Ｖ１／２）／２と故障したコンデンサ回路２２全体の静電容量Ｃ（Ｖ１）との間に、下記式（Ａ）の関係式が成立するようなセラミックコンデンサ２１（２１Ａ、２１Ｂ）の直流バイアス特性を有するセラミックコンデンサ２１が製作または選択される。
（１−△）×Ｃ（Ｖ１／２）×（１／２）≦Ｃ（Ｖ１）≦（１＋△）×Ｃ（Ｖ１／２）×（１／２）・・・式（Ａ）
（１−△）×Ｃ（Ｖ１／２）×（１／２）≦Ｃ（Ｖ１）≦（１＋△）×Ｃ（Ｖ１／２）×（１／２）・・・式（Ａ）
このことは、例えば図３に示すような、特性曲線Ｌ１を含む領域ＡＲ１内に含まれる特性曲線で表させる直流バイアス特性を有するようなセラミックコンデンサ２１が製作または選択されてもよいことを意味する。即ち、各セラミックコンデンサ２１Ａ、２１Ｂは、印加電圧が３００Ｖにおける静電容量が１００ｎＦであり、印加電圧が６００Ｖにおける静電容量が５０±５［ｎＦ］であるような直流バイアス特性を有するように設計されればよい。この場合、式（Ａ）において△が０．１に設定されたことになる。
以上説明したように、本実施の形態に係るコンデンサ回路２２では、コンデンサ回路２２を構成するセラミックコンデンサ２１のいずれか１つが短絡故障し、コンデンサ回路２２を構成する正常なセラミックコンデンサ２１への印加電圧が上昇した場合、正常なセラミックコンデンサ２１の静電容量は小さくなる。そして、正常なセラミックコンデンサ２１それぞれの静電容量が減少することにより、１つのセラミックコンデンサ２１の短絡故障したときのコンデンサ回路２２全体の静電容量の変動を抑制する。
本実施の形態に係るセラミックコンデンサ２１の直流バイアス特性は、電圧Ｖ１／２の印加時における静電容量Ｃ（Ｖ１／２）と、電圧Ｖ１の印加時における静電容量Ｃ（Ｖ１）とに基づいて、静電容量Ｃ（Ｖ１／２）の大きさと静電容量Ｃ（Ｖ１）の大きさとが略同一になるように直流バイアス特性を有するセラミックコンデンサ２１が製作または選択される。ここで、電圧Ｖ１／２は、コンデンサ回路２２に定格電圧Ｖ１が印加された場合に各セラミックコンデンサ２１に印加される電圧である。また、電圧Ｖ１は、１つのセラミックコンデンサ２１が短絡故障したコンデンサ回路２２に電圧Ｖ１を印加した場合に各セラミックコンデンサ２１に印加される電圧である。これにより、例えば１つのセラミックコンデンサ２１故障時におけるコンデンサ回路２２全体の静電容量の変動を更に抑制できる。
セラミックコンデンサ２１の直流バイアス特性は、前述の式（Ａ）の関係式を満たすように設定されている。これにより、コンデンサ回路２２を構成するセラミックコンデンサ２１のいずれか１つが短絡故障しても、コンデンサ回路２２全体の静電容量の変化率の絶対値が、予め設定された許容値△以内に収まる。従って、セラミックコンデンサ２１の直流バイアス特性を、製造誤差等を考慮した形で設定することができる。
また、本実施の形態に係るセラミックコンデンサ２１では、内層部２１１ｍを構成する強誘電体層２１２は、２つのセラミックコンデンサ２１において同じ材料に設定されている。これにより、２つのセラミックコンデンサ２１それぞれの材料が異なる場合に比べて、各セラミックコンデンサ２１の設計を容易にすることができる。
本実施の形態に係るコンデンサ回路２２は、等価直列インダクタンスが比較的小さく且つ小型化することが可能なセラミックコンデンサ２１を用いて構成されている。これにより、コンデンサ回路２２は、図１（ａ）および（ｂ）に示すように、正極バスバー１３、負極バスバー１５の端子片１３３、１５３における正極接続孔１３５および負極接続孔１５５近傍に配置することができる。これにより、コンデンサ回路２２と正極接続孔１３５および負極接続孔１５５との間の距離を短くすることができるので、コンデンサ回路２２から正極接続孔１３５および負極接続孔１５５に至るまでの配線長が短くなる。従って、コンデンサ回路２２と正極接続孔１３５および負極接続孔１５５との間に介在する配線に起因したインダクタンス成分を低減することができるので、このインダクタンス成分に起因して生じるノイズ成分のコンデンサモジュール１に接続される電気回路（図示せず）への影響を低減することができる。
なお、コンデンサ回路２２について、セラミックコンデンサ２１の代わりにフィルムコンデンサを採用したとする。この場合、フィルムコンデンサは一般的にセラミックコンデンサに比べて、等価直列インダクタンスが大きいので、コンデンサ回路で等価直列インダクタンスに起因して生じるノイズ成分が、コンデンサモジュール１に接続される電気回路（図示せず）へ影響する虞がある。また、フィルムコンデンサは、一般的にセラミックコンデンサに比べて小型化に制約がある。従って、フィルムコンデンサを採用したコンデンサ回路の場合、コンデンサ回路を、コンデンサモジュール１における電気回路と接続される正極接続孔１３５および負極接続孔１５５の近傍に配置し、コンデンサ回路２２から正極接続孔１３５および負極接続孔１５５に至るまでの配線長を短くするのは困難である。
また、本実施の形態に係るコンデンサモジュール１は、コンデンサ回路２２が小型化できる分、全体の小型化を図ることができる。
（実施の形態２）
本実施の形態に係るコンデンサ回路４２２は、直流バイアス特性が略同一の３個以上のセラミックコンデンサ２１を備える。
本実施の形態に係るコンデンサ回路４２２は、直流バイアス特性が略同一の３個以上のセラミックコンデンサ２１を備える。
図５（ａ）に示すように、コンデンサ回路４２２が直列に接続されたｎ個（ｎは３以上の整数）のセラミックコンデンサ２１から構成されるとする。この場合、コンデンサ回路４２２に定格電圧Ｖ１が印加されると、各セラミックコンデンサ２１に電圧Ｖ１／ｎ（ｎは３以上の整数）が印加される。
一方、図５（ｂ）に示すように、コンデンサ回路４２２が備えるｎ個のセラミックコンデンサ２１のうちのいずれか１つが短絡故障したとする。この場合、コンデンサ回路４２２が備える他のセラミックコンデンサ２１には、正常時のｎ／（ｎ−１）倍の電圧Ｖ１／（ｎ−１）が印加される。そうすると、正常なコンデンサ回路４２２全体の静電容量は、Ｃ（Ｖ１／ｎ）／ｎであり、故障したコンデンサ回路４２２全体の静電容量は、Ｃ（Ｖ１／（ｎ−１））／（ｎ−１）である。このコンデンサ回路４２２のセラミックコンデンサ２１は、正常なコンデンサ回路４２２全体の静電容量Ｃ（Ｖ１／ｎ）／ｎと故障したコンデンサ回路４２２全体の静電容量Ｃ（Ｖ１／（ｎ−１））／（ｎ−１）との間に、Ｃ（Ｖ１／ｎ）／ｎ＝Ｃ（Ｖ１／（ｎ−１））／（ｎ−１）の関係が成立するような直流バイアス特性を有する。従って、セラミックコンデンサ２１（２１Ａ、２１Ｂ）のうちのいずれか１つが短絡故障してもコンデンサ回路４２２全体の静電容量は変化しない。
例えば、コンデンサ回路４２２が、３つのセラミックコンデンサ２１を備えるとする。そして、コンデンサ回路４２２に定格電圧９００Ｖが印加されるとする。この場合、コンデンサ回路４２２を構成する各セラミックコンデンサ２１の特性は同一なので、セラミックコンデンサ２１それぞれには電圧３００Ｖが印加される。一方、１つのセラミックコンデンサ２１が短絡故障した場合、正常な２つのセラミックコンデンサ２１にそれぞれ４５０Ｖの電圧が印加される。そうすると、正常なコンデンサ回路４２２全体の静電容量は、Ｃ（３００Ｖ）／３であり、故障したコンデンサ回路４２２全体の静電容量は、Ｃ（４５０Ｖ）／２である。そして、正常なコンデンサ回路４２２全体の静電容量Ｃ（３００Ｖ）／３と故障したコンデンサ回路４２２全体の静電容量Ｃ（４５０Ｖ）／２との間に、Ｃ（３００Ｖ）／３＝Ｃ（４５０）／２の関係が成立するような直流バイアス特性を有していれば、セラミックコンデンサ２１のうちのいずれか１つが短絡故障してもコンデンサ回路４２２全体の静電容量は変化しない。
例えば図６の特性曲線Ｌ４で表される直流バイアス特性を有するセラミックコンデンサ２１の場合、Ｃ（３００Ｖ）＝１００ｎＦ、Ｃ（４５０Ｖ）＝６６．６ｎＦである。従って、Ｃ（３００Ｖ）×（１／３）＝Ｃ（６００Ｖ）×（１／２）の関係が成立する。つまり、設計上、コンデンサ回路４２２は、一つのセラミックコンデンサ２１が短絡故障してもコンデンサ回路４２２全体の静電容量は変化しない。
なお、図６の特性曲線Ｌ４で表される直流バイアス特性を有するセラミックコンデンサ２１は、内層部２１１ｍ（図２参照）に含まれる強誘電体層２１２を形成する材料がＢａＴｉＯ３−ＢａＺｒＯ３−Ｇｄ（組成比１００：９：１２）を主成分とするセラミック材料で形成されている。また、内層部２１１ｍに含まれる強誘電体層２１２の厚さＷ１（図２参照）を４０μｍとしている。更に、内層部２１１ｍにおける強誘電体層２１３の積層数が４５層であり（図２参照）、導電体層２１３Ａと導電体層２１３Ｂとの重なり部分の面積Ｓ１（図２参照）は１０ｍｍ２である。
しかし、実施の形態１でも説明したように、Ｃ（Ｖ１／ｎ）／ｎ＝Ｃ（Ｖ１／（ｎ−１））／（ｎ−１）の関係が成立するようなセラミックコンデンサ２１を製作または選択することは、セラミックコンデンサ２１の製造誤差等の影響を考慮すれば難しい。そこで、本実施の形態に係るコンデンサ回路４２２では、正常なコンデンサ回路４２２全体の静電容量に対する故障したコンデンサ回路４２２全体の静電容量の変化率について許容値△を設定する。そして、正常なコンデンサ回路４２２全体の静電容量Ｃ（Ｖ１／ｎ）／ｎと故障したコンデンサ回路４２２全体の静電容量Ｃ（Ｖ１／（ｎ−１））／（ｎ−１）との間に、下記式（Ｂ）の関係式が成立するようなセラミックコンデンサ２１（２１Ａ、２１Ｂ）の直流バイアス特性を有するセラミックコンデンサ２１が製作または選択される。
（１−△）×Ｃ（Ｖ１／ｎ）×（ｎ−１）／ｎ≦Ｃ（Ｖ１／（ｎ−１））≦（１＋△）×Ｃ（Ｖ１／ｎ）×（ｎ−１）／ｎ・・・式（Ｂ）
（１−△）×Ｃ（Ｖ１／ｎ）×（ｎ−１）／ｎ≦Ｃ（Ｖ１／（ｎ−１））≦（１＋△）×Ｃ（Ｖ１／ｎ）×（ｎ−１）／ｎ・・・式（Ｂ）
このことは、例えば図６に示すような、特性曲線Ｌ４を含む領域ＡＲ４内に含まれる特性曲線で表させる直流バイアス特性を有するようなセラミックコンデンサ２１が製作または選択されてもよいことを意味する。即ち、各セラミックコンデンサ２１は、印加電圧が３００Ｖにおける静電容量が１００ｎＦであり、印加電圧が４５０Ｖにおける静電容量が６６．６±６．６［ｎＦ］であるような直流バイアス特性を有するように設計されればよい。この場合、式（Ｂ）において、△が０．１に設定されたことになる。
本構成によれば、前述の実施の形態１で説明した構成と同一の作用効果を奏する。また、本構成によれば、コンデンサ回路４２２を構成するセラミックコンデンサ２１の個数が２つのコンデンサ回路に比べて、コンデンサ回路４２２の両端間が短絡してしまう頻度を低減することができる。
（実施の形態３）
次に、本実施の形態に係るコンデンサモジュール１を含む電力変換システムについて説明する。
電力変換システムは、図７に示すように、交流電源ＡＣに接続された整流回路２と、整流回路２の出力端ｔｅ０、ｔｅ１間に接続されたコンデンサモジュール１と、整流回路２の出力端ｔｅ０、ｔｅ１間に接続された電力変換回路３と、を備える。ここで、コンデンサモジュール１は、実施の形態１で説明したものである。また、交流電源ＡＣと整流回路２とから、交流を整流してなる脈流を出力する電源が構成されている。
次に、本実施の形態に係るコンデンサモジュール１を含む電力変換システムについて説明する。
電力変換システムは、図７に示すように、交流電源ＡＣに接続された整流回路２と、整流回路２の出力端ｔｅ０、ｔｅ１間に接続されたコンデンサモジュール１と、整流回路２の出力端ｔｅ０、ｔｅ１間に接続された電力変換回路３と、を備える。ここで、コンデンサモジュール１は、実施の形態１で説明したものである。また、交流電源ＡＣと整流回路２とから、交流を整流してなる脈流を出力する電源が構成されている。
整流回路２は、例えばダイオードを用いた全波整流回路または半波整流回路から構成され、交流電源ＡＣから供給される交流を整流して脈流を生成する。整流回路２により生成される脈流は、コンデンサモジュール１のフィルムコンデンサ１１により平滑化される。電力変換回路３は、例えば、６つのスイッチング素子を用いて構成され、整流回路２側から供給される直流を三相交流に変換するインバータ回路を構成する。
この電力変換システムでは、電力変換回路３で発生するサージ電圧を、コンデンサ回路２２で吸収する。サージ電圧吸収特性は、コンデンサ回路２２の静電容量に依存する。電力変換回路３で発生するサージ電圧波形は、電力変換システムの回路構成等に依存し、コンデンサ回路２２の静電容量は、電力変換システムの回路構成等に応じたサージ電圧吸収特性を実現できるように設計される。
本実施の形態に係る電力変換システムでは、実施の形態１で説明したコンデンサモジュール１を使用している。これにより、コンデンサ回路２２を構成する２つのセラミックコンデンサ２１のいずれか１つが短絡故障してもコンデンサ回路２２の静電容量はほとんど変化せず、そのサージ電圧吸収特性もほとんど変化しない。従って、コンデンサ回路２２を構成する２つのセラミックコンデンサ２１のいずれか１つが短絡故障しても電力変換システムの回路構成に応じたサージ吸収特性を維持できる。
（変形例）
以上、本発明の各実施の形態について説明したが、本発明は前述の各実施の形態の構成に限定されるものではない。
以上、本発明の各実施の形態について説明したが、本発明は前述の各実施の形態の構成に限定されるものではない。
実施の形態１では、直列に接続されたセラミックコンデンサ２１のみから構成されるコンデンサ回路２２について説明したが、コンデンサ回路２２に含まれる回路素子はセラミックコンデンサのみに限定されるものではない。例えば図８に示すコンデンサ回路５２２は、直列に接続された２つのセラミックコンデンサ２１と、セラミックコンデンサ２１それぞれに並列に接続された分圧用の抵抗素子５１と、を備える構成であってもよい。抵抗素子５１の抵抗値は、例えば１ＭΩに設定することができる。
本構成によれば、抵抗素子５１の抵抗値を適宜設定することにより、コンデンサ回路５２２を構成する各セラミックコンデンサ２１に印加される電圧のばらつきを抑制することができる。従って、セラミックコンデンサ２１それぞれの静電容量を安定させることができる。また、コンデンサ回路５２２全体の静電容量の設計が容易になるという利点もある。
実施の形態１および２では、コンデンサ回路２２、４２２が２以上のセラミックコンデンサ２１を２つ以上直列に接続された直列回路を１つだけ備える例について説明した。但し、コンデンサ回路の構成はこれに限定されず、例えば２つ以上のセラミックコンデンサ２１を直列に接続してなる直列回路を、複数個並列接続した構成であってもよい。また、先に図８を用いて説明した変形例では、直列に接続された２つのセラミックコンデンサ２１と、セラミックコンデンサ２１それぞれに並列に接続された分圧用の抵抗素子５１と、を有する回路を１つだけ備えるコンデンサ回路５２２について説明したが、例えばこのセラミックコンデンサと抵抗素子５１とを含む回路を複数個並列に接続した構成であってもよい。
本構成によれば、コンデンサ回路に含まれる、並列に接続されたコンデンサ直列回路の数を増加させるだけで容易にコンデンサ回路の静電容量を増加させることができる。
実施の形態１および２では、セラミックコンデンサ２１の強誘電体層２１２が、ＢａＴｉＯ３−ＢａＺｒＯ３−Ｇｄ（組成比１００：９：１２）から形成される例について説明したが、強誘電体層２１２を形成する材料はこれに限定されるものではない。例えば、強誘電体層２１２を形成する材料として、ＢａＴｉＯ３−ＣａＴｉＯ３を採用してもよい。
実施の形態１では、フィルムコンデンサ１１を備えるコンデンサモジュール１について説明したが、コンデンサモジュールが、フィルムコンデンサ１１の代わりに他の種類のコンデンサ（例えば電解コンデンサ等）を備える構成であってもよい。
実施の形態１では、第１外層部２１２ｂ１、第２外層部２１２ｂ２が、強誘電体材料からなる強誘電体層２１２を構成する例について説明したが、第１外層部２１２ｂ１、第２外層部２１２ｂ２の材料は強誘電体材料に限定されない。例えば第１外層部２１２ｂ１、第２外層部２１２ｂ２が、誘電体材料から形成されていてもよい。
実施の形態３では、コンデンサモジュール１が、交流電源ＡＣと整流回路２とから構成される電源に、電力変換回路３とともに接続される電力変換システムの例について説明したが、電力変換システムの構成はこれに限定されるものではない。例えば、電力変換システムが、例えばＤＣ−ＤＣコンバータを含む電源にコンデンサモジュール１が接続されたものであってもよい。
或いは、電力変換システムが、コンデンサモジュール１と、系統電源と、蓄電池と、系統電源と蓄電池との間に接続された双方向インバータと、を備えるパワーコンディショナであってもよい。この場合、コンデンサモジュール１は、双方向インバータの系統電源（電源）側または蓄電池側に接続される。コンデンサモジュール１が双方向インバータの蓄電池側に接続される場合、蓄電池が、直流電圧を出力する電源となる。この場合、コンデンサモジュール１は、双方向インバータの動作に起因して生じるリップル電流を低減する役割を担うことができる。
以上、本発明の実施の形態および変形例（なお書きに記載したものを含む。以下、同様。）について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。本発明は、実施の形態および変形例が適宜組み合わされたもの、それに適宜変更が加えられたものを含む。
本出願は、２０１４年１２月２２日に出願された日本国特許出願特願２０１４−２５８４８４号に基づく。本明細書中に日本国特許出願特願２０１４−２５８４８４号の明細書、特許請求の範囲、及び図面全体を参照として取り込むものとする。
１ コンデンサモジュール
１１ フィルムコンデンサ
１３ 正極バスバー
１５ 負極バスバー
１７ 絶縁部材
１９ 絶縁基板
２１ セラミックコンデンサ
２２、４２２、５２２ コンデンサ回路
２３ ハウジング
１３１、１５１ 主片
１３３、１５３ 端子片
１３５ 正極接続孔
１５５ 負極接続孔
１９１ 導電パターン
１９３ 貫通ビア
１１ フィルムコンデンサ
１３ 正極バスバー
１５ 負極バスバー
１７ 絶縁部材
１９ 絶縁基板
２１ セラミックコンデンサ
２２、４２２、５２２ コンデンサ回路
２３ ハウジング
１３１、１５１ 主片
１３３、１５３ 端子片
１３５ 正極接続孔
１５５ 負極接続孔
１９１ 導電パターン
１９３ 貫通ビア
Claims (5)
- 直列に接続された複数のセラミックコンデンサを備えるコンデンサ回路であって、
前記複数のセラミックコンデンサ各々は、
電極間に介在する強誘電体層を有し、
第１電圧印加時の静電容量が前記第１電圧よりも高い第２電圧印加時の静電容量に比べて大きく且つ略同一の直流バイアス特性を有し、
前記第１電圧は、前記コンデンサ回路に予め設定された第３電圧が印加された場合に各セラミックコンデンサに印加される電圧であり、
前記第２電圧は、いずれか１つのセラミックコンデンサが短絡故障した前記コンデンサ回路に前記第３電圧を印加した場合に各セラミックコンデンサに印加される電圧であり、
前記複数のセラミックコンデンサの個数は、ｎ（ｎは２以上の整数）個であり、
前記複数のセラミックコンデンサは、前記第３電圧をＶ１として、電圧Ｖ１／ｎ印加時における静電容量をＣ（Ｖ１／ｎ）、電圧Ｖ１／ｎのｎ／（ｎ−１）倍の電圧Ｖ１／（ｎ−１）印加時における静電容量をＣ（Ｖ１／（ｎ−１））、許容値を△とすると、下記式（１）の関係式が成立するように、直流バイアス特性を有し、下記式（１）におけるΔは０．１に設定されている、
（１−△）×Ｃ（Ｖ１／ｎ）×（ｎ−１）／ｎ≦Ｃ（Ｖ１／（ｎ−１））≦（１＋△）×Ｃ（Ｖ１／ｎ）×（ｎ−１）／ｎ・・・式（１）
コンデンサ回路。 - 前記強誘電体層は、前記複数のセラミックコンデンサそれぞれの材料が同一に設定されたものである、
請求項１に記載のコンデンサ回路。 - 前記複数のセラミックコンデンサそれぞれに並列に接続された抵抗を備え、
前記複数の抵抗それぞれの抵抗値は、略同一である、
請求項１または２に記載のコンデンサ回路。 - フィルムコンデンサと、
前記フィルムコンデンサと並列に接続された請求項１から３のいずれか１項に記載のコンデンサ回路と、を備える、
コンデンサモジュール。 - 電源の出力端間に接続された、請求項４に記載のコンデンサモジュールと、
前記電源の出力端間に接続され、直流から交流にまたは交流から直流に変換する電力変換回路と、を備える、
電力変換システム。
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