高電圧セラミックコンデンサにおけるアーク放電と漏洩の診断

高電圧セラミックコンデンサにおけるアーク放電と漏電の診断

工学的な回答

アーク放電と漏洩放電は、空隙または電極端から始まる部分放電という共通の起源を持ち、数ヶ月かけて材料を侵食します。0.1 pFの空隙が1 kVの電圧降下を起こすと、1回のイベントで100 pCの電荷が放出され、1時間に10⁵回のイベントが発生すると、欠陥部分に1時間あたり0.1 Jの侵食が集中します。故障した120個のコンデンサのうち、55%はアーク放電で、45%はドレインで終わり、どちらのグループの80%も以前に放電が発生していました。

定格電圧において、5 pC未満の部分放電がないことをすべての生産ロットについて検査する。
動作電圧を、測定したPDIVの60%～70%に設定してください。
絶縁抵抗は、閾値と比較するのではなく、傾向として監視してください。
高電圧部を密閉し、湿度を40%以下に保ってください。
故障した部品はすべて分解し、交換する前に機構を分類してください。

抽象

高電圧セラミックコンデンサの故障は、アーク放電による短絡、または漏洩経路によるバスバーの放電という2つの形で現れます。本稿では、1回の放電イベントにおける電荷とエネルギー、それに続く侵食、そして放電へと変化する絶縁劣化について解説します。さらに、部分放電（PD）スクリーニングゲートや、測定された初期電圧に基づくディレーティングルールなど、両方のメカニズムを抑制するための6つの手順を示します。

はじめに

高電圧セラミックコンデンサは、設計範囲内であれば問題なく動作しますが、範囲外になると2つの目に見える形で故障します。1つはアーク放電による短絡で、多くの場合、閃光と異音を伴います。もう1つは漏洩電流によるバスの放電で、レギュレーションループが乱れ、最終的に保護回路が作動します。

この2つの結果は、別々の問題ではありません。ほぼすべての故障解析において、両者は共通の原因を持っています。それは、誘電体内部または電極端部で発生した部分放電が絶縁体を侵食し、最終的にどちらかの最終状態に至るというものです。放電経路の方向によって、どちらの最終状態になるかが決まります。

レーザー加工機の高電圧ユニットの故障解析の結果、故障原因は大きく分かれた。調査した120個のセラミックコンデンサの故障のうち、55%がアーク放電によるもので、45%が漏電によるものであった。両グループの80%において、故障箇所に以前の放電の痕跡が見られた。具体的には、炭化したピット、電極端の侵食、トラッキングマークなどである。これらのコンデンサは経年劣化で故障したのではなく、放電によって故障したのであり、その放電は数ヶ月間も検出されずに続いていた。

その発生源は、故障に至る前に測定可能です。この記事では、ある事象における電荷、エネルギー、および侵食を導出し、放電が部品内部に及ばないようにするための6つのステップ（スクリーニング、測定された初期電圧からのディレーティング、傾向監視、環境制御、クラスI誘電体、および実際の故障解析）を示します。

2. コアメカニズム

2.1 部分放電が共通の原因

部分放電とは、空隙内部、電極端部、または汚染された表面に沿った局所的な絶縁破壊のことです。コンデンサを短絡させることはなく、わずかな電荷を移動させます。

Q_pd = C_void × ΔV_void

ここで、Q_pdはイベントあたりの見かけ上の電荷、C_voidは空隙の静電容量、ΔV_voidは空隙を横切る電圧である。

印加電界を1 kV低下させる0.1 pFの空隙は、1イベントあたり100 pCの電荷を放出する。これは、遮蔽限界である5 pCの20倍に相当する。このイベントのエネルギーは、電荷と印加電圧に比例する。

E_pd = ½ × Q_pd × V_applied

ここで、E_pdはイベントあたりのエネルギー、Q_pdは見かけ上の電荷、V_appliedはコンデンサにかかる電圧である。

20 kVの電圧では、100 pCの放電イベントで1 µJのエネルギーが伝わります。1マイクロジュール自体は取るに足らない値ですが、1時間に10⁵回のイベントが発生すると、数百平方マイクロメートルのセラミックに毎時0.1 Jのエネルギーが伝わり、各イベントで材料が除去されます。この侵食によって放電開始電圧が低下するため、放電速度は損傷の程度に応じて増加します。

2.2 弧を描く経路

侵食されたチャネルが臨界サイズに達すると、次の現象によって誘電体が架橋され、チャネルの抵抗が崩壊します。その結果生じるエネルギーがコンデンサに蓄積されたエネルギーです。

E_stored = ½ × C × V²

ここで、E_storedは蓄積エネルギー、Cは静電容量、Vは破壊時のコンデンサ両端の電圧である。

20kVの電圧で10nFのコンデンサの場合、2Jのエネルギーが必要となり、これはチャネルを蒸発させ、本体に亀裂を入れ、密閉部品の封止を破断させるのに十分な量です。故障はマイクロ秒単位で発生し、短絡を引き起こしますが、その原因となった放電はそれ以前に数ヶ月間続いていました。

2.3 漏洩経路

放電が電極の端部や表面の軌跡に沿って流れる場合、短絡ではなく抵抗経路が炭化される。蓄積された侵食によって絶縁抵抗は低下する。

R_ins(t) = R_ins0 × exp(−k_erosion × t)

ここで、R_ins(t)は時間t後の絶縁抵抗、R_ins0は初期値、k_erosionは侵食速度定数である。

ドレイン電流は抵抗降下に比例する。

I_leak = V / R_ins

ここで、I_leakは漏洩電流、Vは印加電圧、R_insは絶縁抵抗である。

新品の部品は10 GΩで20 kV時に2 µAのリーク電流を流しますが、回路ではこれを検知しません。一方、同じ部品を10 MΩにすると2 mAのリーク電流を流し、分圧比が乱れ、出力電圧が変動し、装置のリーク電流検出機能が作動します。この劣化は数ヶ月かけて進行し、測定すればその全過程を検知できます。

2.4 測定された初期電圧からのディレーティング

ディレーティングとは、動作電圧を放電開始電圧以下に抑えることであり、定格電圧の80%ではその用途には不十分である。わずかな空隙がある部品では、放電開始電圧が定格電圧の80%以下になる可能性がある。

動作電圧は、部品の測定PDIVの60～70%に設定し、定格電圧におけるPDデータが5 pC未満であることをサプライヤーに要求してください。5 pC未満であれば、イベントあたりの侵食量が十分に小さいため、10年間の寿命が現実的です。

図1 — ボイドは1イベントあたり100 pCを放電し、炭化チャネルはアークとして終了し、トラッキングパスは20 kVで2 mAのドレインとして終了します。

3. エンジニアリング上の課題

問題点1：アーク放電による故障が部品のせいにされる

アーク放電によってシフトが終了し、損傷したコンデンサが目に見える証拠となるため、部品が非難される。しかし、故障解析の結果、アーク放電は数か月前に発生した製造上の欠陥や過電圧事象から始まった放電の最終段階であったことが判明することが多く、これは不良部品ではなく、設計マージンが薄すぎたことを示唆している。

問題点2：漏洩故障が規制上の問題のように見える

コンデンサの放電により出力が低下し、ループ補正が行われ、その後再び低下する。メンテナンスチームは、漏電コンデンサが複数回のサービス訪問の間そのままになっている間に、コントローラのドリフトや分圧器のトラブルを診断する。厚膜抵抗器サンプリング抵抗器コンデンサを測定する前に、分圧器の一部を交換する必要があります。

問題点3：出荷テストは最終状態のみを対象とし、出発地は対象としていない

製造工程における試験項目は、静電容量、ESR、および短絡を検出する高電圧試験です。絶縁特性の傾向や部分放電は試験対象外です。6か月以内に放電したり、1年以内にアーク放電を起こしたりするコンデンサでも、出荷試験はすべて合格します。なぜなら、これらの試験はいずれも、まだ発生していない故障の最終状態を測定するものだからです。

問題点4：ディレーティングルールが部品と一致しない

定格電圧の80%までディレーティングしても、放電による故障は依然として発生します。なぜなら、放電開始電圧は部品の銘板ではなく、内部の空隙や終端部の特性だからです。経験則から得た数値では、セラミック内部の200μmの空隙を正確に表すことはできません。したがって、ディレーティング値は測定値に基づいて決定する必要があります。

4. 設計手順

戦略1：PDスクリーニングを資格審査の必須項目にする

定格電圧におけるロットレベルの部分放電測定を、5 pCの閾値で実施する必要があります。5 pC未満であれば、放電イベントあたりの侵食量が十分に小さいため、10年間の寿命が現実的です。HVCは、部品出荷前に放電発生源を除外した部分放電試験データを、すべての生産ロットに添付して提供します。

戦略2：測定されたPDIVからディレーティングする

動作電圧を測定された初期電圧の60%～70%に設定し、銘板定格の80%を上限値として扱います。 N4700 クラスI部品は定格時におけるPDが5pC未満であり、誘電体は構造上放電を起こさずに動作し、銘板値でディレーティング要件を満たしています。

戦略3：絶縁抵抗の傾向を監視する

定期的に絶縁抵抗を測定するか、バスバーに連続高インピーダンスモニターを取り付け、閾値ではなく傾向に基づいてアラームを発報してください。6か月間で10分の1に低下することは、漏電経路の初期兆候であり、漏電が機械に影響を与える2～4か月前に現れます。

戦略4：排出環境を制御する

放電活動は温度上昇と表面汚染によって増加します。高電圧部を密閉し、湿度を40%以下に保ち、表面を清潔に維持してください。これらの対策により、表面追跡経路への放電が直接抑制されるだけでなく、アーク放電経路への放電源となる端部放電も抑制されます。

戦略5：クラスI誘電体を使用する

クラスI誘電体は、連続電圧および温度下でも絶縁特性を維持し、分極疲労や経年劣化による静電容量損失は発生しません。クラスII部品に見られるDCバイアス下でのドリフトは発生せず、高電圧ユニットにおける説明のつかない性能変化の原因の一つが排除されます。フィルムコンデンサ局所的な故障後には自己修復するが、単位体積あたりの静電容量が低くなり、寿命を迎える時期も異なるため、これは別のトレードオフであり、無償のアップグレードではない。

戦略6：故障した部品をすべて分析する

故障したコンデンサをそれぞれ切断し、拡大鏡で故障箇所を検査して、放電メカニズムを空隙放電、エッジ放電、または表面トラッキングに分類します。この分類結果は設計データベースに反映され、他のコンデンサにも同様のスクリーニング要件が適用されます。高速回復ダイオードそして、高電圧ユニット内のスイッチ部品も交換する。こうすることで、部品の故障は保証期間内の統計データではなく、設計上の教訓となる。

コンポーネントパラメータ	標準値	試験条件
定格電圧（HVCT8Gシリーズ）	10kV DC	60秒間、1.5倍の高電圧試験
キャパシタンス	4700 pF ±20% (472M)	1 MHz、1 V rms
1MHzにおけるESR	50 mΩ未満	-
ループインダクタンス（E40コード）	8 nH未満	端子間隔40mm
絶縁抵抗	500V DCで10GΩ以上	25℃、相対湿度60％
使用可能温度範囲	−40℃～+125℃	IEC 60068-2シリーズ
パルスdv/dt機能	50 kV/µs以上	定格電圧で

5. HVバス用HVC N4700コンデンサ

どちらの故障モードも部品内部の欠陥から発生するため、出荷前に両方とも対処されます。HVCは、東莞にある6,000平方メートルの自社工場で、1kVから100kVまでの電圧範囲に対応するN4700クラスIコンデンサを製造しています。

ここで重要な6つのパラメータ

定格電圧における部分放電は5 pC未満です。ロットレベルの部分放電スクリーニングにより、アーク放電と漏洩放電が共通する発生源が排除されるため、誘電体内部に侵食連鎖の開始点が存在しません。
高密度なクラスI構造。N4700誘電体は、粒界を制御しながらほぼ完全な密度まで焼結されており、放電が始まる可能性のある内部空隙がほとんど残されていない。
長寿命にわたって安定した絶縁性を維持します。クラスI誘電体は、連続的な直流ストレス下でも分極疲労や経年劣化による漏洩電流の増加が見られないため、ドレイン機構が作用する材料が存在しません。
公開されているディレーティングデータ。HVCはPDIVとディレーティング曲線を提供しており、これにより設計者は測定された初期電圧の60%～70%で、その数値の根拠となるデータに基づいて作業を行うことができます。
温度安定性に優れています。±30 ppm/℃の熱伝導率と0.1%未満の放散係数により、高電圧ユニットの熱的範囲全体にわたって部品の性能が一定に保たれ、温度変化による放電経路が抑制されます。
実績のある代替品。40kV / 441シリーズドアノブコンデンサは、村田リソグラフィ光源の現場修理プログラムではネジ式コンデンサが使用されており、DUV開発者は現在、新しい光源にHVC部品を指定するようになっている。

配送とサポート

標準部品は4～8週間、選別済みのマッチングセットは6～10週間で出荷されます。HVCのアプリケーションエンジニアリング部門は、返品された部品のディレーティングレビュー、部分放電（PD）試験の設定、および故障解析をサポートします。動作電圧、定格電圧、動作温度、ロット履歴、および故障箇所の写真を送付してください。HVCは、5営業日以内にPDデータ、ディレーティング曲線、およびセクション分けレポートを返却します。

6。よくある質問

Q1：部分放電1回でどれだけの電荷が移動しますか？

0.1 pFの空隙から1 kVの電圧降下が生じ、電荷は静電容量×電圧に等しいため、100 pCの電荷が発生します。これは、遮蔽限界である5 pCの20倍に相当し、連続的な高電圧波形が流れる部品では、1時間に最大10⁵回繰り返されます。

Q2：部分放電はどれくらいのエネルギーを運ぶのか？

20 kVの電圧では、1回のイベントあたり1 µJのエネルギーが発生します。これは、電荷量の半分に電圧を掛けた値です。1時間に10⁵回のイベントが発生すると、数百マイクロメートルの欠陥に1時間あたり0.1 Jのエネルギーが集中するため、損傷はゆっくりと蓄積され、最終的に1回のイベントで完了します。

Q3：コンデンサが最終的にアーク放電を起こしたとき、どれだけのエネルギーが放出されますか？

蓄積されるエネルギーは、C×Vの2乗の半分である。20kVの電圧で10nFのコンデンサは2Jのエネルギーを蓄積し、チャネルを蒸発させ、本体に亀裂を生じさせ、封止材を破損させる可能性がある。

Q4：漏洩モードはどのように進行しますか？

絶縁抵抗は、累積侵食によって指数関数的に低下します。10 GΩから始まる部品は、20 kVで2 µAの漏洩電流を流しますが、10 MΩになると同じ部品で2 mAの漏洩電流を流すようになり、これは分圧比を変化させて装置をトリップさせるのに十分な量です。

Q5：連続高電圧運転において、80％の定格低下で十分でしょうか？

それだけでは不十分です。なぜなら、わずかな空隙がある部品の初期電圧は、定格電圧の80%を下回る可能性があるからです。動作電圧は、測定された初期電圧の60%～70%に設定し、定格電圧における部分放電（PD）データが5pC未満であることを要求してください。

Q6：故障したコンデンサを分割することで、どのようなメリットがありますか？

メカニズム。ボイド排出、エッジ排出、表面トラッキングにはそれぞれ異なる是正措置が必要であり、故障箇所の目に見える損傷によってどの措置が適用されるかが特定されます。このセクションがない場合、交換部品は同じ設計マージン内に収まり、次の部品も同じように故障します。

7。リファレンス

E. クッフェル、WS ザングル、J. クッフェル、 高電圧工学の基礎第2版、ニューネス、2000年。
モハン、N.、アンダーランド、TM、ロビンス、WP、 パワーエレクトロニクス：コンバータ、応用、設計第3版。ニュージャージー州ホーボーケン：ジョン・ワイリー・アンド・サンズ、2003年。
MIL-HDBK-217F 通知 2、 電子機器の信頼性予測、1995。
IEC 60384-1:2021、 電子機器用固定コンデンサ - パート1：一般仕様第6版。ジュネーブ：IEC、2021年。
IEC 60270:2025、 高電圧試験技術 - 部分放電の電荷ベース測定第4版。ジュネーブ：IEC、2025年。
IEC 60664-1:2020、 低電圧電源システム内の機器の絶縁協調 - パート1：原理、要件および試験第3版。ジュネーブ：IEC、2020年。
GB/T 7354-2018、 高電压试验技术局部放電量。北京：中国标準出版社、2018年。
G. ダントナとL. ペルフェット、 固有関数展開法による絶縁開閉装置における部分放電の局在化、IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement、vol. 68、no. 5、pp. 1294-1301、2019年。https://doi.org/10.1109/tim.2019.2904806。
A. ブーディアフ、S. ブーザビア、N. ハリド、ML アムラニ、 高電圧ケーブル絶縁体内部のガス空洞における部分放電閾値の解析的計算、電気工学、第104巻、第2号、555-565ページ、2021年。https://doi.org/10.1007/s00202-021-01310-9。
US 10,529,487、 内部電極のエッジ位置が異なる多層セラミックコンデンサ、太陽誘電株式会社、2020 年に付与、https://www.freepatentsonline.com/10529487.html
HVCアプリケーションエンジニアリングチーム、 高電圧セラミックコンデンサ技術リソース、https://www.hv-caps.com

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