? 电源入力用アルミ电解コンデンサの小型化技术について/コンデンサ、キャパシタ、电源ユニットのルビコン株式会社

制品情报:制品技术绍介

电源入力用アルミ电解コンデンサの小型化技术について

はじめに

 近年电子机器のモバイル化が急速に进んでおり、それに伴い电源やアダプターの小型化、軽量化などの市场要求が强まっている。しかし、电源に使用されるアルミ电解コンデンサは他の电子部品に比べてサイズが大きく、电源の小型化を进める际の妨げとなっていた。また、近年市场が拡大しているLED照明や车载机器といった分野では高温环境での长期信頼性と低温环境での动作保证が必要とされる。アルミ电解コンデンサは有限寿命部品であり、コンデンサの寿命が电源の寿命を决める要因となっている。また、低温领域で大幅に特性が低下するという问题もあり、车载机器などの市场においてはアルミ电解コンデンサの长寿命化や低温特性改善といった対策が必要不可欠となっている。
 ルビコンではこれらの市场要求に対応するため、小型?高容量の电源入力用コンデンサを开発してきた。これまで105ºC一般品としてQXWシリーズ、105ºC长寿命品としてBXWシリーズを上市してきたが、市场での小型化要求の高まりに対応するため更に小型化した制品の実现に向け検讨を进めた结果、2017年11月には105ºC2000~3000时间保证のHXWシリーズ、2018年4月には105ºC10000~12000时间保证のLXWシリーズをそれぞれ上市した。(図1)

図1 主な入力平滑用コンデンサ(リード形)
図1 主な入力平滑用コンデンサ(リード形)

図2 制品外観(HXWシリーズ、LXWシリーズ)
図2 制品外観(HXWシリーズ、LXWシリーズ)

シリーズの特长

 HXWシリーズは一般电源やアダプター、LXWシリーズは照明机器や高信頼性が必要な机器を主な用途と考え开発を行なった。従来の机器の性能を维持したまま小型化を行うことができるよう、いずれのシリーズも従来品と同等の定格リプル电流を确保しつつ体积比で约20%小型化している。また、Φ10×60Lのような细径长Lタイプや高さ20mmの低背型などを含む豊富なサイズ体系とすることで基板设计の自由度を上げ、薄型电源など様々な形状の电源に使用することが可能となっている。カテゴリ温度范囲は定格电圧500V品まで-40ºC対応しており、使用环境を问わず幅広い用途に使用することが可能である。
 表1にHXWシリーズ、LXWシリーズの概要を示す。

  HXWシリーズLXWシリーズ
カテゴリ温度范囲-40~+105ºC-40~+105ºC
定格电圧400~500V400~500V
静电容量15~270µF15~220µF
ケースサイズ10×30~18×5010×30~18×50
耐久性2,000~3,000hr10,000~12,000hr

永利会娱乐场表1 HXWシリーズ、LXWシリーズの概要

 本稿ではHXWシリーズ、LXWシリーズの开発にあたりポイントとなった技术要素として、小型化、低温対応、长寿命化の3点について绍介する。

(1)小型化
 アルミ电解コンデンサでは阳极箔の表面に形成された酸化アルミニウムの层が诱电体となり电気を蓄えている。阳极箔にはエッチング処理によって微细なピットが形成されており、これによって表面积が拡大されている。エッチング処理による拡面化を行うことによりアルミ电解コンデンサは他のコンデンサと比べて非常に大きな静电容量を実现している。
 アルミ电解コンデンサの静电容量は阳极箔の表面积に比例して増加する。このため、阳极箔のエッチング処理を进め表面积の拡大を行うことがコンデンサの高容量化には効果的である。しかし、エッチングによってアルミニウムの溶出量が増すため、エッチング処理を进めるほど阳极箔の强度は低下する。アルミ电解コンデンサは阳极箔を裁断し巻き取った构造であるため、これまで小サイズの制品では强度の低い阳极箔を巻き取ることは困难であった。
 ルビコンでは制造する制品や使用する材料に合わせて最适な条件で制造できるよう、制造设备を自社开発してきた。特に高容量箔の巻き取り技术は长年に渡り开発を続けている。HXWシリーズ、LXWシリーズではこれまで培ってきた制造ノウハウを応用し、高容量で强度の低い阳极箔を小サイズの制品でも高精度に巻き取ることを可能とした。また、材料の面では従来品よりも高容量でありながら强度の高い阳极箔を新たに开発している。このような材料、制造両面における技术开発によって、HXWシリーズ、LXWシリーズでは制品の信頼性を损なうこと无く制品を小型化することに成功した。
永利会娱乐场  コンデンサの小型化は机器の小型、軽量化の観点から非常に强い市场要求がある。HXWシリーズ、LXWシリーズはこのような市场要求に対応することのできる制品である。

(2)低温対応
 车载机器や屋外に设置される电源の场合、冬季には低温环境での动作が必要となる。特に寒冷地では-30ºCを下回る环境での动作が要求されるため、低温环境でも特性変化の小さい制品が必要である。その一方でアルミ电解コンデンサは低温での电気的特性変化が大きいという问题を抱えている。これはアルミ电解コンデンサの内部に使用している电解液の抵抗値が低温环境で急激に増大することに起因している。特に电源入力用に使用される电圧帯の制品では変化が顕着であり、屋外用の电源などでは低温环境で安定した电気的特性をもつ制品が求められている。
 このような市场要求に対応するため、ルビコンでは2013年にQXWシリーズなどの従来制品をアップグレードし、定格电圧450V品までをカテゴリ下限温度-40ºC対応とした。更にHXWシリーズ、LXWシリーズでは定格电圧500V品についても低温域で抵抗が上がりにくい电解液を开発した。これにより低温域におけるコンデンサの特性変化を抑え-40ºC対応可能な制品を定格电圧500V品まで拡大することに成功した。
 図3は定格电圧500V品の低温での静电容量変化率について比较したグラフである。従来品であるBXCシリーズは-15ºC付近から容量が大きく减少しているのに対し、低温特性に优れた电解液を采用しているLXWシリーズは-30ºC付近まで安定した特性を示している。従って従来の制品では困难であった低温环境への対応が可能となっている。

図3 低温度环境での静电容量変化 (500WV、Φ18品)
図3 低温度环境での静电容量変化 (500WV、Φ18品)

(3)长寿命化
 照明机器用电源などに使用されるコンデンサには、长时间安定した特性を保つことが必要とされている。アルミ电解コンデンサは内部に电解液を使用しているため、长期间使用すると电解液が封止材を通して徐々に蒸散し最终的にドライアップによるオープン故障に至るという特徴がある。このため、长寿命化するためには电解液の蒸散を抑制するとともに、电解液そのものの劣化を抑えることが必要である。
 ルビコンでは50年以上に渡って电解液の配合ノウハウを培っており、照明を中心に长寿命を要求される分野において多くの実绩を有している。LXWシリーズ用の电解液は、従来よりも低抵抗かつ高温度で长期间使用した场合にも安定した特性を维持することを目标として开発した。図4は105ºC中におけるLXWシリーズの高温负荷试験データ(定格リプル重畳)である。105ºC中で12000hr経过した後も电気的特性は初期と大きな差が无く、非常に安定していることが分かる。
 LXWシリーズは低温领域で优れた特性を示すのみならず、高温での耐久性にも优れた性能を有しているため、机器の使用环境を选ばず様々な用途に使用可能な制品である。

図4 LXWシリーズ105ºC高温负荷试験データ(450V 220µF Φ18×50L)
図4 LXWシリーズ105ºC高温负荷试験データ(450V 220µF Φ18×50L)

今後の取り组み

 HXWシリーズ、LXWシリーズはサイズや电気的特性を高いレベルで両立させることで、様々な用途?机器に泛用的に使用できる制品となっている。本制品の开発によって得られた技术を活用し今後も更なる小型化を目指して开発を进める予定である。
 更に电源のファンレス化や机器の小型化に伴うセット内部温度の上昇に対応するため、高温度环境にて长期使用可能な电源入力用コンデンサの拡充を検讨している。また、极低温环境に対応可能な制品の开発も进める计画である。

终わりに

 アルミ电解コンデンサは电源の入力平滑コンデンサに求められる高い耐电圧、大きな静电容量、安全性を兼ね备えたコンデンサである。また、同容量のコンデンサの中では比较的小型で安価な部品という优れた特长を持つため、多くの电源に使用されている。しかしその一方で电源基板上では比较的サイズの大きな电子部品であり、机器の小型化を进める际の妨げとなっている。机器の更なる小型化要求に対応するため、今後もアルミ电解コンデンサの小型化を念头に置いた商品开発を継続する。
 また、アルミ电解コンデンサの用途は年々拡大しており、车载机器など厳しい使用环境にも広く使用されるようになってきている。制品の小型化を进めるだけでなく、今後も高温度対応や极低温対応など市场の要求に対応した商品展开を継続的に进める所存である。

永利会娱乐场※本稿は、2018年8月23日発行の电波新闻「ハイテクノロジー」の掲载记事です。

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