再生可能エネルギーの普及拡大に必要不可欠なインバータ
寿命診断技術2023年12月5日(火)九州工業大学 大学院工学研究院
電気電子工学研究系
准教授 長谷川 一徳
1低炭素化に資するインバータ応用
インバータ
高信頼化
再生可能エネルギー

部品レベルの信頼性
キャパシタ，半導体，etc
ギャップの一因: インバータ
実動作時の部品の信頼性
評価が困難

直流送電

無効電力補償

FACTS (Flexible AC Transmission System)

系統連系インバータ導入拡大→信頼性向上が急務

2

インバータの高信頼化に向けてキャパシタ

プリント基板

パワー半導体ハンダ

故障要因に占める割合[1]

30%

26%

21%

13%

劣化サイクル

10年程度

20～30年20～30年20～30年

６

2.6

21

故障頻度
（半田を1として）[1] E. Wolfgang, “Examples for failures in power electronics systems,” ECPE Tutorial Reliability Power Electronic Systems, Apr. 2007.

信頼性省エネ次世代パワエレコスト

コンディションモニタリングによるキャパシタ寿命診断が最重要課題
ただし，普及には導入コスト低減が必要

次世代パワエレの目指す領域
3インバータ用キャパシタ

直流リンクキャパシタ• 瞬時電力の差を吸収• 直流電圧を一定に維持
提案者の先行技術にてセンサレス・モニタリングを実現

交流フィルタキャパシタ(LCLフィルタ)• SWリプル電流の吸収• 系統連系インバータに使用

新技術によるセンサレス・モニタリングの実現
4

提案者の先行技術
被測定コンデンサ
推定寿命 [hour]

6000

シリコンオイル

ｷｬﾊﾟｼﾀﾝｽから見積

5000

キャパシタンス低下率から見積もり
従来のESR測定だけでは，ESR増加率から故障を見逃す危険性がある！
見積もり

4000

ESRから見積

3000
2000

オイルバス(85℃一定)1000

加速劣化試験

001020DCバイアス電圧 [V]30[1] K. Hasegawa, K. Tsuzaki, S. Nishizawa, “DC-bias-voltage dependence ofdegradation of aluminum electrolytic capacitors,” Microelectron. Rel, Mar. 2018.

キャパシタンスのモニタリングも同時に必要

5ZCUT (wk) [W]DC Block

フィッティングカーブ

Capacitor
underTest

FFT

C = 928 mF
ESR = 74 mW

10.1
0.1

試作インバータ

Divider
FFT

抽出ブロック図プロファイル

1

1050

実験結果

インピーダンスプロファイル

電流センサを使用してESR/キャパシタンスの独立モニタリングに成功！

[2] K. Hasegawa, S. Nishizawa, and I. Omura, “ESR and capacitance monitoring of a dc-link capacitor
used in a three-phase PWM inverter with a front-end diode rectifier," Microelectron. Rel., Sep. 2018.

5直流リンクコンデンサの電流センサレス・モニタリング従来: モニタリング技術は高価なセンサありきで構築→普及の障害
本提案: センサレス・低コストモニタリング
リプル電流ダイオード整流器

インバータ

ﾌｨﾙﾀｲﾝﾀﾞｸﾀ

出力電力POLdc

特長
複雑な配線構造の改造が不要

M・配線の再設計不要
・既設インバータにも導入可能

電源電圧
VS

キャパシタ
電源電圧 VS

電源電圧
VS
フィルタインダクタ
Ldc

理論解析

出力電力 PO

ﾌｨﾙﾀｲﾝﾀﾞｸﾀ Ldc

リプル電流算出

理論解析

出力電力 POt

リプル電流算出

特願2020-186497，キャパシタ寿
命診断装置及びキャパシタ寿命診
断方法，長谷川一徳，出願日:2020年11月9日

6直流リンクコンデンサ モニタリング実験結果
0.5 V

0.5 V

0V

0V

-0.5 V-0.5 V

5 ms

Condition A

ESR = 156 mW, C = 1167 mF

5 ms

Condition B: ESR Increase

ESR = 219 mW, C = 1167 mF

0.5 V

0.5 V

0V0V

-0.5 V-0.5 V
5 ms

5 ms

Condition C: C Decrease

Condition D: ESR Increase・C Decrease

ESR = 147 mW, C = 1046 mF

ESR = 270 mW, C = 1037 mF

K. Hasegawa, T. Kubo, Y. Hirose, "Condition Monitoring of a DC-Link Capacitor Used in a PWM Inverter with a Six-Pulse Diode
Rectifier without Current Sensors, IEEJ Journal of Industry Applications, vol. 12, no. 3, pp. 548-554, May 2023.

7

LCLフィルタモニタリング
従来技術とその問題点

電流検出

電圧検出

• 電圧/電流検出用のセンサ部品が必要• キャパシタンスのみの算出

キャパシタンス算出による劣化検出
9,389.263 B2 Filter capacitor degradation
identification using measured and expected voltage

8

新技術
IS

系統電圧VS

LS

LI

VLS

IC VLI

VC

IIC

特願2021-015829，LCLフィルタ寿
命診断装置及びLCLフィルタ寿命診断方法，長谷川一徳，出願日: 2021
インバータ電圧VI
年2月3日

LCLフィルタ
系統電圧VS
LS（一定）

系統電流IS+
VLS電圧演算

VLI

インバータ
電圧指令値VI+-

キャパシタ電圧VC+

II電流演算

-

II+

FFT
FFT

リプル
電流IC

VC(f)

÷ZC(f)

ESR
ｷｬﾊﾟｼﾀﾝｽ演算

比較

寿命
○ or×

IC(f)
寿命判定基準(ESR2倍，ｷｬﾊﾟｼﾀﾝｽ20%低下)

LI（一定）• 波形解析からセンサレスで実現• ESR/キャパシタンスのモニタリング

低コストで信頼性の高い
インバータの普及拡大
9新技術の実装例
キャパシタ電圧、電流𝐶が複数周波数成分, 𝐶

スイッチング周波数（20 kHz）

基本波周波数（60 Hz）

isis

ic

ic
vsvc

vI

基本周波数における等価回路

vc

vI

スイッチング周波数における等価回路

2周波数成分を利用したESR/キャパシタンス抽出
10

回路シミュレーションによる検討(0.11%)(6.7%)

200V

R = 0.1 Ω

定格電力: P =1 kVA
スイッチング周波数: fSW = 20 kHz
共振周波数: fres = 1 kHz
変調率：M = 0.935
位相角: φ = 3.914 deg

11シミュレーション設計値と提案法の比較●キャパシタンスとESRの独立した比較・ ESR値一定 （0.1Ω）
・ キャパシタンス値10%毎低下(3.32μF, 2.98μF, 2.65μF)

・ キャパシタンス値一定 （3.32μF）
・ ESR値50%毎増加(0.1Ω, 0.15Ω, 0.2Ω)
計算値 [Ω]計算値 [μF]40.25

30.2

20.1%

0.1%

0.1%

0.7%

0.1

10.05

002.65

0.7%

0.15

2.98

3.32
設計値 [μF]

キャパシタンス抽出値

0.7%

0.1

0.150.2
設計値 [Ω]ESR抽出値

誤差は良く一致している
12

新技術の特長・従来技術との比較
従来技術

新技術

ESR測定

No

Yes

キャパシタンス測定

Yes

Yes

電圧センサ

必要不要

電流センサ

必要不要

[従来技術] 9,389.263 B2 Filter capacitor degradation identification using
measured and expected voltage

13想定される用途

風力発電

直流送電/周波数変換

メガソーラー

無効電力補償家庭用太陽光パワーコンディショナ

交流饋電車両駆動

鉄鋼圧延主機ドライブ etc
14実用化に向けた課題• 電圧検出の高精度化– 繰り返し測定による平均化処理• FFT演算等の低コスト化– キャパシタ劣化スピードは遅く，データ演算時間は必要としない点を利用– クラウドを活用

15

企業への期待• 新設・既設インバータへ適用可能– インバータ高信頼化– インフラ用など停止できないインバータにも利用可能• 信頼性向上＆低コスト化の両立– 寿命診断技術の普及拡大

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本技術に関する知的財産権• 発明の名称 ：ＬＣＬフィルタ寿命診断装置
及びＬＣＬフィルタ寿命診断方法• 出願番号： 特願2021-015829• 出願人： 九州工業大学• 発明者： 長谷川 一徳

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産学連携の経歴
2016~2019年度
2019年度
2020~2021年度
2021~2023年度

A社との受託研究実施
B社との受託研究実施
C社団法人との共同研究実施
NEDO 官民による若手研究者発掘支援事業に採択（代表）2021~2026年度 文部科学省 令和3年度革新的パワーエレクト
ロニクス創出基盤技術研究開発事業に採択（日本ケミコン社ほか）（分担）
2023年度~D社との共同研究実施中
そのほか，学術コンサルティングによる指導実績: 5件

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お問い合わせ先九州工業大学
先端研究・社会連携本部
産学イノベーションセンター
知財コーディネーター 尾崎正TEL: 093-884-3499
FAX: 093-884-3531
E-mail: chizai@jimu.kyutech.ac.jp
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