Zróżnicowana kolekcja typów kondensatorów niewiele się zmieniła w ostatnich latach, ale z pewnością aplikacje. W tym artykule przyglądamy się, w jaki sposób kondensatory są wykorzystywane w elektronice energetycznej i porównujemy dostępne technologie. Kondensatory filmowe pokazują swoje zalety w nadchodzących aplikacjach, takich jak pojazdy elektryczne , alter- natywna konwersja mocy energetycznej i falowniki w napędach . Jednak głównym wymogiem jest jednak elektrolityka aluminium (AL), gdy gęstość magazynowania energii jest głównym wymogiem.
AL Elektrolityczny czy kondensator filmowy?
Łatwo jest odrzucić AL Elektrolityka Jak wczorajsza technologia, ale różnicowanie wydajności między nimi a alternatywą filmową nie zawsze jest tak jasne. Pod względem przechowywanej gęstości energii, tj. Drowy/centymetrów sześciennych, wciąż wyprzedzają standardowe kondensatory filmowe, chociaż egzotyczne warianty, takie jak segmentowane wysokie krystaliczne Metalizowany polipropylen są porównywalne. Ponadto elektrolityka AL utrzymuje ocenę prądu tętnienia w wyższych temperaturach lepiej niż konkurujące kondensatory filmowe. Nawet postrzegane problemy związane z życiem i niezawodnością nie są tak znaczące, gdy elektrolityka Al są odpowiednio odkręcane. Elektrolityka Al jest nadal bardzo atrakcyjna tam, gdzie wymagana jest przejazd napięcia magistrali stałego w przerwie zasilania bez kopii zapasowej baterii. Na przykład, gdy koszt jest czynnikiem napędzającym, szczególnie trudno jest przewidzieć kondensatory filmowe przejmujące od kondensatorów masowych w zasilaczy trybowych.
Film wygrywa na wiele sposobów
Kondensatory filmowe mają kilka znaczących zalet w porównaniu z innymi kondensatorami: równoważne oceny oporności serii (ESR) mogą być znacznie niższe, co prowadzi do znacznie lepszego obsługi prądu. Oceny napięcia przypływowego są również lepsze, a być może co najważniejsze, kondensatory filmowe mogą samoleczyć
Ryc. 1 Charakterystyka filmu kondensatora.
Ryc. 2 Zmienność DF z temperaturą folii polipropylenowej.
Po stresie, prowadząc do lepszej niezawodności systemu i życia. Jednak zdolność do samoleczenia zależy od poziomu naprężenia, wartości szczytowych i szybkości powtarzania. Ponadto ostateczna katastroficzna awaria jest nadal możliwa z powodu osadzania węgla i uszkodzenia ubocznego łuku w osoczu wygenerowanym podczas usuwania uszkodzeń. Te cechy pasują do nowoczesnych zastosowań konwersji energii w pojazdach elektrycznych i alternatywnych systemach energetycznych, w których nie jest wymagane zatrzymanie awarii ani między szczytami fal-częstotliwości. Głównym wymogiem jest zdolność do pozyskiwania i zatopienia prądów falowych o wysokiej częstotliwości, które mogą osiągnąć setki, jeśli nie tysiące wzmacniaczy przy jednoczesnym utrzymaniu tolerowanych strat i wysokiej niezawodności. Istnieje również ruch do wyższych napięć autobusowych w celu zmniejszenia strat omowych przy danych poziomach mocy. Oznaczałoby to szeregowe połączenie elektrolityki Al z ich nieodłącznym maksymalnym napięciem wynoszącym około 550 V. Aby uniknąć braku równowagi napięcia, konieczne może być wybór drogich kondensatorów z dopasowanymi wartościami i użycie rezystorów równoważenia napięcia z powiązanymi stratami i kosztami.
Kwestia niezawodności nie jest prosta, chociaż w kontrolowanych warunkach elektrolityka jest porównywalna z folią mocy, co oznacza, że zwykle wytrzymują tylko 20% przepięcia przed uszkodzeniem. Natomiast kondensatory filmowe mogą wytrzymać być może 100% nadmiernego napięcia przez ograniczone okresy. Po awarii elektrolityka może zwrócić i eksplodować, zdejmując cały bank komponentów szeregowych/równoległych z niebezpiecznym wyładowaniem elektrolitów. Kondensatory filmowe mogą również samozapowawo, ale niezawodność systemu w autentycznych warunkach sporadycznego stresu może być bardzo różna między tymi dwoma typami. Podobnie jak w przypadku wszystkich komponentów, poziomy wysokiej wilgotności mogą obniżyć wydajność kondensatora filmowego, a dla najlepszej niezawodności powinno to być dobrze kontrolowane. Kolejnym praktycznym wyróżnikiem jest łatwość montażu kondensatorów folii - są dostępne w izolowanych, wydajnych objętościach prostokątnych obudowach pudełkowych z różnorodnymi opcjami połączenia elektrycznego, od zacisków śrubowych po występy, szybki i słupki magistrali, w porównaniu z typowymi metalowymi puszkami elektrolityki. Niepolarna folia dielektryczna zapewnia montaż odwrotną i pozwala na stosowanie w aplikacjach, w których stosuje się AC, na przykład w filtrowaniu z zewnątrz falownika.
Oczywiście dostępnych jest wiele typów dielektrycznych kondensatorów filmowych, a ryc. 1 zawiera podsumowanie ich porównawczych wyników [1]. Film polipropylenowy jest ogólnym zwycięzcą, gdy straty i niezawodność pod wpływem stresu są głównymi względami ze względu na niski rozkład DF i wysoki rozkład dielektryczny na jednostkę grubości. Pozostałe folie mogą być lepsze dla oceny temperatury i pojemności/objętości, z wyższymi stałymi dielektrycznymi i cieńszą dostępnością warstwy, a przy niskich napięciach poliester jest nadal powszechny. DF jest szczególnie ważny i zdefiniowany jako reaktancja ESR/pojemnościowa i zwykle jest określona przy 1 kHz i 25 ° C. Niski DF w porównaniu z innymi dielektrykami implikuje niższe ogrzewanie i jest sposobem porównywania strat na mikrofaradę. DF nieznacznie zmienia się w zależności od częstotliwości i temperatury, ale polipropylen działa najlepiej. Ryciny 2 i 3 pokazują typowe wykresy.
Istnieją dwa główne rodzaje konstrukcji kondensatorów folii, które wykorzystują folię i osadzoną metalizację, jak pokazano na rycinie 4. Folia metalu o grubości około 5 nm jest zwykle stosowana między warstwami dielektrycznymi ze względu na jego wysoką zdolność prądu szczytowego, ale nie jest ona samowystarczalna po trwałym naprężeniu. Folia metalizowana jest tworzona przez próżnię i zwykle odkładając AL w 1200 ° C na folię do grubości około 20–50 nm z temperaturą filmu od -25 do -35 ° C,
Ryc. 3 Zmienność DF z częstotliwością dla folii polipropylenowej.
Ryc. 4 Konstrukcja kondensatora filmowego
Chociaż można również użyć stopów cynku (Zn) i Al-Zn. Proces ten umożliwia samoleczenie, w którym rozpad w dowolnym momencie w całym dielektrycznym powoduje zlokalizowane intensywne ogrzewanie, być może do 6000 ° C, powodując powstanie plazmy. Metalizacja wokół kanału rozpadu jest odparowana, z szybkim rozszerzeniem osocza wygaszania rozładowania, który izoluje wadę i pozostawia kondensator w pełni funkcjonalny. Zmniejszenie pojemności jest minimalne, ale z czasem addytywne, co czyni go użytecznym wskaźnikiem starzenia się komponentu.
Powszechną metodą dalszego wzmocnienia niezawodności jest segment metalizacji na filmie na obszary, być może miliony, z wąskimi bramami przekazującymi prąd w segmentach i działającym jako bezpieczniki dla przeciążenia brutto. Zwężenie całkowitej ścieżki prądu do metalizacji zmniejsza szczytowe obsługę komponentu, ale wprowadzony dodatkowy margines bezpieczeństwa pozwala na użyteczne kondensator przy wyższych napięciach.
Nowoczesny polipropylen ma wytrzymałość dielektryczną około 650 V/µm i jest dostępna w grubościach około 1,9 µm i w górę, więc oceny napięcia kondensatora do kilku kilowoltów są rutynowo osiągalne, a niektóre części są nawet oceniane na 100 kV. Jednak przy wyższych napięciach zjawisko częściowego rozładowania (PD), znane również jako rozładowanie korony, staje się czynnikiem. PD to rozkład wysokiego napięcia mikrowoidów w większości materiału lub w szczelinach powietrza między warstwami materiału, powodując częściowe zwarcie całkowitej ścieżki izolacyjnej. PD (rozładowanie koronowe) pozostawia niewielki ślad węglowy; Początkowy efekt jest niezauważalny, ale może z czasem gromadzić się, aż wystąpi rażący i nagłe rozpad osłabionej izolacji z węglem. Efekt opisano krzywą Paschen, pokazaną na rycinie 5, i ma charakterystyczne napięcie powstania i ekstynkcji. Rysunek pokazuje dwie przykładowe mocne strony pola. Punkty powyżej krzywej Paschen, A, prawdopodobnie spowodują awarię PD.
Ryc. 5 Krzywa Paschen i przykładowe siły pola elektrycznego.
Aby przeciwdziałać efektowi, kondensatory o bardzo wysokiej zawartości napięcia są impregnowane oleju w celu wykluczenia powietrza z interfejsów warstw. Typy niższego napięcia są zwykle wypełnione żywicą, co pomaga również w mechanicznej solidności. Kolejnym rozwiązaniem jest utworzenie kondensatorów szeregowych w pojedynczych obudowach, skutecznie zmniejszając spadek napięcia na każde do znacznie poniżej napięcia początkowego. PD jest efektem z powodu intensywności pola elektrycznego, więc zwiększenie grubości dielektrycznej w celu zmniejszenia gradientu napięcia jest zawsze możliwe, ale zwiększa ogólny rozmiar kondensatora. Istnieją projekty kondensatorów, które łączą folii i metalizację, aby zapewnić kompromis między zdolnością prądu szczytowego a samoleczeniem. Metalizację można również ocenić z krawędzi kondensatora, aby grubszy materiał na krawędziach daje lepsze obchodzenie się i bardziej solidne zakończenie przez lutowanie lub spawanie, a ocenianie może być ciągłe lub przesuwane.
Być może przydatne jest cofnięcie się i obserwowanie, jak korzystne jest użycie kondensatorów al-elektrolitycznych. Jednym z przykładów jest konwerter off-line o długości 90%, 1 kW z frontem skorygowanym o pod względem mocy, wymagającą przejażdżki 20 ms, jak pokazano na rycinie 6. Zazwyczaj będzie miał wewnętrzną magistrację DC z napięciem nominalnym, VN, 400 V i napięcia reccl-out, VD, 300 V, poniżej, które regulacje wyjściowe jest utracone.
Kondensator masowy C1 dostarcza energię, aby utrzymać stałą moc wyjściową w określonym czasie przejazdu, gdy napięcie magistrali spadają z 400 do 300 V po awarii. Matematycznie, PO T/H = 1/2 C (VN²-VD²) lub C = 2*1000*0,02/0,9*(400²-300²) = 634NF przy ocenach 450 V.
Jeśli Kondensatory al-elektrolityczne są używane, a następnie równanie powoduje wymaganą objętość około 52 cm3 (tj. 3 na 3), np. Jeśli jest to Tdk-epcos Używana jest seria B43508. Natomiast kondensatory filmowe byłyby niepraktycznie duże, wymagające być może 15 równolegle przy całkowitej objętości 1500 cm3 (tj. 91 na 3), jeśli zastosowana jest seria TDK-EPCOS B32678. Różnica jest oczywista, ale wybór zmieniłby się, gdyby kondensator potrzebny do kontrolowania napięcia falowania na linii prądu stałego. Weź podobny przykład, w którym napięcie magistrali 400 V pochodzi z baterii, więc wstrzymanie nie jest wymagane. Istnieje jednak potrzeba zmniejszenia efektu falowania do np. 4 V średniej korzenia kwadratowej (RMS) z 80 RMS Prąd o wysokiej częstotliwości pobranej przez konwerter niższy w temperaturze 20 kHz. Może to być zastosowanie pojazdu elektrycznego, a wymagana pojemność może być zbliżona do C = IRMS/vrippe.2.f.f = 80/4*2*3,14*20*1000 = 160 UF przy ocenie 450 V.
Ryc. 6 Kondensator na przejażdżkę (przytrzymaj). HVDC: DC wysokiego napięcia.
Elektrolityczny przy 180 µF, 450 V może mieć ocenę prądu ripplerentów wynoszącą zaledwie około 3,5 A RMS w 60 ° C, w tym korekcję częstotliwości (seria EPCOS B43508). Zatem dla 80 A, 23 kondensatory byłyby wymagane równolegle, wytwarzając niepotrzebne 4 140 µF o całkowitej objętości 1200 cm3 (tj. 73 na 3). Jest to zgodne z czasem cytowanym 20 mA/µF oceny prądu tętnienia dla elektrolityki. Jeśli rozważane są kondensatory filmowe, teraz tylko cztery równolegle z EPCOS B32678 Seria daje ocenę prądu RMP-prąd RMS 132-A w objętości 402 cm3 (tj. 24,5 w 3). Jeśli temperatura jest ograniczona do np. Niezawodnej ambientowej, wówczas można wybrać mniejszy rozmiar obudowy. Nawet jeśli wybierzemy elektrolitykę na innych podstawach, nadmiar pojemności może powodować inne problemy, takie jak kontrolowanie energii w prądu oddechowym. Oczywiście, jeśli mogą wystąpić przejściowe przepięcia, kondensatory filmowe byłyby znacznie bardziej solidne w aplikacji. Przykładem tego byłoby przyczepność lekką, w której przerywane połączenie z katariem powoduje przepięcie na połączeniu DC-Link.
Ten przykład jest typowy dla wielu środowisk, na przykład w nieprzerwanych systemach zasilania, energii wiatrowej i słonecznej, spawania i falowników związanych z siatką. Różnice kosztów między elektrolityką filmu i Al można podsumować na rysunkach opublikowanych w 2013 r. [2]. Typowe koszty DC-BUS z naprawionego 440 VAC można znaleźć w tabeli 1.
Inne aplikacje dotyczą oddzielenia i obwody snubber w konwerterach lub falownikach. Tutaj należy użyć konstrukcji folii/folii, jeśli zezwolenia na wielkość, ponieważ typy metalowane wymagają specjalnych etapów projektowania i produkcji. Jako oddzielanie kondensator jest umieszczany przez magistralę DC, aby zapewnić niską ścieżkę indukcyjną dla krążących prądów o wysokiej częstotliwości, zwykle 1 µF na 100 przełączany. Bez kondensatora prąd krąży przez pętle o wyższej indukcyjności, powodując napięcia przejściowe (VTR) zgodnie z następującymi: vtr = -LDi/dt.
Przy obecnych zmianach 1000 A/µs, tylko kilka nanohenrii indukcyjności może wytwarzać znaczne napięcia. Ślady na tablicy drukowanej mogą mieć indukcyjność około 1 NH/mm, zapewniając zatem około 1 VTR/mm w tej sytuacji. Dlatego ważne jest, aby połączenia były tak krótkie, jak to możliwe. Aby kontrolować DV/ DT w przełącznikach, kondensator i sieć rezystora/ diody są umieszczane równolegle z IGBT lub MOSFET (ryc. 7).
To zwalnia dzwonienie, kontroluje zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) i zapobiega fałszywym przełączaniu z powodu wysokiego
Ryc. 7 Przełączanie. Ryc. 8 Kondensatorzy filmu jako tłumienie EMI. Ryc. 9 Kondensatory folii w filtrowaniu EMC z napędem silnikowym.
DV/DT, szczególnie w IGBTS. Punktem wyjścia często sprawia, że pojemność snubbera około dwa razy dwa razy więcej niż pojemność wyjściowa przełącznika i pojemność montażowa, a następnie rezystor jest wybierany do krytycznego tłumienia każdego dzwonienia. Sformułowano bardziej optymalne podejścia projektowe.
Kondensatory polipropylenowe z oceną bezpieczeństwa są często stosowane w liniach energetycznych w celu zmniejszenia trybu różnicowego EMI (ryc. 8). Ich zdolność do wytrzymywania przejściowych przepięć i samoleczenia jest kluczowa. Kondensatory w tych pozycjach są oceniane jako x1 lub x2, które mogą wytrzymać odpowiednio przejściowe 4- i 2,5 kV. Zastosowane wartości są często w mikrofaradzie, aby osiągnąć zgodność z typowymi standardami kompatybilności elektromagnetycznej (EMC) przy wysokich poziomach mocy. Filmowe kondensatory typu Y mogą być również używane w pozycjach w linii do ziemi, aby osłabić hałas w trybie wspólnym, w którym wartość pacynowania CA jest ograniczona ze względu na bieżące uwzględnienie upływu (ryc. 8). Wersje Y1 i Y2 są dostępne odpowiednio dla przejściowych ocen 8 i 5 kV. Niski połączenie indukcyjności kondensatorów filmowych Pomaga również utrzymać wysoki poziom samooceny.
Rosnące zastosowanie niepolaryzowanych kondensatorów polega na tworzeniu filtrów dolnoprzepustowego z induktorami serii w celu osłabienia harmonicznych o wysokiej częstotliwości w wyjściu prądu przemiennego napędów i falowników (ryc. 9). Kondensatory polipropylenowe są często stosowane do ich niezawodności, wysokiej oceny prądu falowego i dobrej wydajności wolumetrycznej w zastosowaniu, a cewki i kondensatory są często pakowane razem w jednym module. Obciążenia takie jak silniki są często odległe od jednostki napędowej, a filtry są używane do umożliwienia systemów spełnienia wymagań EMC i zmniejszenia obciążenia okablowania i silników z nadmiernych poziomów DV/DT.
