2021年12月9日(木)

低コストで外部から測定可能なインバータ寿命診断技術九州工業大学 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

大容量インバータ
電気の形(電圧・周波数・直流/交流)を自在に変えて，電気を作る，送る，使う，を便利に効率よく。

産業用モータ駆動

家庭用パワーコンディショナ
10 kW

直流送電
周波数変換電気自動車
100 kW

鉄道車両

再生可能エネルギー
10,000 kW
1,000 kW

インバータはインフラを支える根幹技術

市場拡大(年率10%)に伴うインバータ導入数の急増→信頼性向上の要求
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

2

1

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

次世代
パワエレ

キャパシタ寿命診断が最重要課題
省エネ

コスト

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

ESR

キャパシタの劣化診断

Capacitance

従来技術1とその問題点等価直列抵抗(ESR)とキャパシタンス変化モニタリングt

ESRモニタリング基本原理

リプル電圧・電流の振幅を使用したESRモニタリング
手法が多数報告BPF

RMS to DC

Capacitor・スイッチング電源
Divider

ESR

RMS to DC

Dv

Dit

BPF

P. Venet, F. Perisse, M. H. El-Husseini, and G. Rojat, “Realization of a smart
electrolytic capacitor circuit,” IEEE IA. Mag., vol. 8, no. 1, pp. 16–20, Jan./Feb. 2002.

K. Harada, A. Katsuki, and M. Fujiwara, “Use of ESR for
deterioration diagnosis of electrolytic capacitor,” IEEE Trans.
Power Electron., vol. 8, no. 4, pp. 355-361, 1993.

・UPS
K. Abdennadher, P. Venet, G. Rojat, J. M. Retif, and C.
Rosset, “A Real-Time Predictive-Maintenance System of
Aluminum Electrolytic Capacitors Used in Uninterrupted
Power Supplies,” IEEE Trans. Ind. Appl. vol. 46, no. 4, 2010.

…etc4

従来技術2~3とその問題点
従来技術2
白石康裕，池田克司，田村靜里，金原義彦「次世代省エネインバータFREQROL－
F700シリーズ」，三菱電機技報，2005年3月

モータが接続された状態で停止中に電源をOFFし，モータに直流電圧を印加することでキャパシタンスを測定

キャパシタンスのみ測定
オンラインモニタリング不可

従来技術3
特開2013-66299，電動機駆動用装置及び冷凍サイクル装置，三菱電機

キャパシタのリプル電流をセンサレスで演算し，ESRをオンラインでモニタリングを実現

ESRのみ測定5申請者の先行技術
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

FFTC = 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

11050

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.

6新技術: 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POLdcM

特長
複雑な配線構造の改造が不要

電源電圧
VS

キャパシタ
電源電圧 VS
電源電圧 VS Ldcフィルタインダクタ
出力電力 PO

理論解析

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 PO

リプル電流算出

・配線の再設計不要
・既設インバータにも導入可能

t7

新技術の特徴・従来技術との比較
従来技術1 従来技術2 従来技術3

新技術

ESR測定

Yes

NoYes

Yes

ｷｬﾊﾟｼﾀﾝｽ測定

NoYes

No

Yes

リアルタイム

Yes

No

Yes

Yes

電流センサ

必要不要

不要

不要

[競合技術1] P. Venet, et.al., “Realization of a smart electrolytic capacitor circuit,”
IEEE Ind. Appl. Mag., vol. 8, no. 1, pp. 16–20, Jan./Feb. 2002.
[競合技術2] 白石康裕ほか，「次世代省エネインバータFREQROL－F700シリーズ」，
三菱電機技報，2005年3月[競合技術3] 特開2013-66299，三菱電機
8回路シミュレーションによる基礎検討
2wS, 6wS

SW. ripple
SPWM Inverter200 V
60 Hz

200 V

2.5 mH
(9.6%)

CUT

DCブロックフィルタ(fC = 33 Hz)

4 mH 22 W(5.7%)
キャリア周波数: 10 kHz
出力周波数: 50 Hz
定格: 1250 VA

実験条件
Condition A: CUT = 1100 mF & 50 mW
Condition B: CUT = 1100 mF & 150 mW (ESR増加)
Condition C: CUT = 1000 mF & 50 mW (キャパシタンス低下)
Condition D: CUT = 1000 mF & 150 mW
9シミュレーションでのキャパシタンス・ESR導出(B)(A)
設計値：𝐶 = 1100 μF, ESR = 50 mΩ
算出値：𝐶 = 1025 μF, ESR = 28 mΩ

設計値：𝐶 = 1100 μF, ESR = 150 mΩ
算出値：𝐶 = 1016 μF, ESR = 143 mΩ

(D)

(C)

設計値：𝐶 = 1000 μF, ESR = 50 mΩ
算出値：𝐶 = 927 μF, ESR = 22 mΩ

設計値：𝐶 = 1000 μF, ESR = 150 mΩ
算出値：𝐶 = 918 μF, ESR = 141 mΩ

キャパシタンスとESR双方の抽出
久保司・長谷川一徳：「ダイオード整流器・PWMインバータシステムにおける直流リンクコンデンサの電流センサレスモニタリング」，電気学会研究会資料，PE-21-038,PSE-21-051,SPC-21-090 (2021)10

想定される用途

発電所・電力設備
冷却系ポンプ

石油・ガス分野 コンプレッサ

化学プラント
冷却系ポンプ

水処理施設 ポンプ
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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

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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 ：キャパシタ寿命診断装置及びキャパシタ寿命診断方法• 出願番号： 特願2020-186497• 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）15

お問い合わせ先
国立大学法人九州工業大学
オープンイノベーション推進機構 産学官連携本部
知的財産部門 コーディネーター
尾崎 正（オザキ タダシ）
ＴＥＬ：093-884-3499
ＦＡＸ：093-884-3531
e-mail：chizai@jimu.kyutech.ac.jp

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