Zróżnicowana kolekcja typów kondensatorów nie zmieniła się zbytnio w ciągu ostatnich lat, ale zastosowania z pewnością uległy zmianie. W tym artykule przyjrzymy się zastosowaniu kondensatorów w energoelektronice i porównamy dostępne technologie. Kondensatory foliowe pokazują swoje zalety w nadchodzących aplikacjach, takich jak pojazdy elektryczne , konwersja mocy energii alternatywnej oraz falowniki w napędach . Jednakże elektrolity aluminiowe (Al) są nadal ważne, gdy głównym wymaganiem jest gęstość magazynowania energii.
Kondensator elektrolityczny czy foliowy?
Łatwo to odrzucić Elektrolityki Al jak wczorajsza technologia, ale różnica w wykonaniu między nimi a alternatywą filmową nie zawsze jest tak wyraźna. Pod względem gęstości zmagazynowanej energii, tj. w dżulach/centymetrach sześciennych, wciąż wyprzedzają one standardowe kondensatory foliowe, chociaż dostępne są egzotyczne warianty, takie jak segmentowe kondensatory wysokokrystaliczne metalizowany polipropylen są porównywalne. Ponadto elektrolity Al utrzymują swój prąd tętnienia w wyższych temperaturach lepiej niż konkurencyjne kondensatory foliowe. Nawet postrzegane problemy z trwałością i niezawodnością nie są tak istotne, gdy elektrolity Al są odpowiednio obniżane. Elektrolityki aluminiowe są nadal bardzo atrakcyjne tam, gdzie wymagane jest utrzymanie napięcia szyny prądu stałego w przypadku przerwy w dostawie prądu bez podtrzymania akumulatorowego. Na przykład, gdy czynnikiem decydującym jest koszt, szczególnie trudno jest przewidzieć, że kondensatory foliowe zastąpią kondensatory masowe w standardowych zasilaczach off-line.
Film wygrywa na wiele sposobów
Kondensatory foliowe mają kilka znaczących zalet w porównaniu z innymi kondensatorami: wartości znamionowe równoważnej rezystancji szeregowej (ESR) mogą być znacznie niższe, co prowadzi do znacznie lepszej obsługi prądu tętniącego. Wartości znamionowe napięcia udarowego są również lepsze i, co być może najważniejsze, kondensatory foliowe mogą się samonaprawiać
RYS. 1 Charakterystyka folii kondensatora.
RYS. 2 Zmiana DF wraz z temperaturą dla folii polipropylenowej.
Po stresie, co prowadzi do lepszej niezawodności i żywotności systemu. Jednakże zdolność do samoleczenia zależy od poziomu stresu, wartości szczytowych i częstotliwości powtórzeń. Ponadto ewentualna katastrofalna awaria jest nadal możliwa ze względu na osadzanie się węgla i dodatkowe uszkodzenia spowodowane łukiem plazmowym generowanym podczas usuwania zwarcia. Charakterystyki te odpowiadają nowoczesnym zastosowaniom konwersji mocy w pojazdach elektrycznych i alternatywnych systemach energii, gdzie nie jest wymagane przetrzymywanie w przypadku przerw w dostawie energii lub pomiędzy szczytami tętnienia częstotliwości sieci. Głównym wymaganiem jest zdolność do pozyskiwania i odprowadzania prądów tętniących o wysokiej częstotliwości, które mogą sięgać setek, jeśli nie tysięcy amperów, przy jednoczesnym zachowaniu tolerowanych strat i wysokiej niezawodności. Istnieje również ruch w kierunku wyższych napięć szyny, aby zmniejszyć straty omowe przy danych poziomach mocy. Oznaczałoby to szeregowe połączenie elektrolitów Al z ich naturalnym maksymalnym napięciem znamionowym wynoszącym około 550 V. Aby uniknąć niezrównoważenia napięcia, może być konieczne wybranie drogich kondensatorów o dopasowanych wartościach i zastosowanie rezystorów równoważących napięcie, co wiąże się z związanymi z nimi stratami i kosztami.
Kwestia niezawodności nie jest prosta, chociaż w kontrolowanych warunkach elektrolity są porównywalne z warstwą mocy, co oznacza, że zazwyczaj wytrzymują tylko 20% przepięcia, zanim nastąpi uszkodzenie. Natomiast kondensatory foliowe mogą wytrzymać około 100% przepięcia przez ograniczony czas. W przypadku awarii elektrolity mogą spowodować zwarcie i eksplozję, niszcząc cały zespół szeregowo/równoległych elementów, powodując niebezpieczne wyładowanie elektrolitu. Kondensatory foliowe mogą również ulegać samonaprawie, ale niezawodność systemu w autentycznych warunkach sporadycznych naprężeń może znacznie różnić się w przypadku obu typów. Podobnie jak w przypadku wszystkich komponentów, wysoki poziom wilgotności może pogorszyć działanie kondensatora foliowego i aby zapewnić najlepszą niezawodność, należy to dobrze kontrolować. Kolejnym praktycznym wyróżnikiem jest łatwość montażu kondensatorów foliowych — są one dostępne w izolowanych, wydajnych objętościowo prostokątnych obudowach skrzynkowych z różnymi opcjami połączeń elektrycznych, od zacisków śrubowych po końcówki, mocowania i szyny zbiorcze, w porównaniu z typowymi okrągłymi metalowymi puszkami elektrolity. Niepolarna folia dielektryczna zapewnia montaż odporny na odwrotność i umożliwia zastosowanie w zastosowaniach, w których stosowany jest prąd przemienny, np. w filtrowaniu wyjścia falownika.
Oczywiście dostępnych jest wiele typów dielektryków kondensatorów foliowych, a rysunek 1 przedstawia podsumowanie ich porównawczych właściwości [1]. Folia polipropylenowa jest ogólnym zwycięzcą, gdy głównymi czynnikami branymi pod uwagę są straty i niezawodność pod wpływem naprężeń, ze względu na niski współczynnik DF i wysoki współczynnik rozpadu dielektrycznego na jednostkę grubości. Inne folie mogą być lepsze pod względem temperatury i pojemności/objętości, przy wyższych stałych dielektrycznych i dostępności cieńszej folii, a przy niskich napięciach poliester jest nadal w powszechnym użyciu. DF jest szczególnie ważny i definiowany jako ESR/reaktancja pojemnościowa i zwykle jest określany przy 1 kHz i 25 °C. Niski współczynnik DF w porównaniu z innymi dielektrykami oznacza mniejsze nagrzewanie i jest sposobem na porównanie strat na mikrofarad. DF nieznacznie różni się w zależności od częstotliwości i temperatury, ale polipropylen sprawdza się najlepiej. Ryciny 2 i 3 przedstawiają typowe wykresy.
Istnieją dwa główne typy konstrukcji kondensatorów foliowych, w których wykorzystuje się folię i metalizację osadzaną, jak pokazano na rysunku 4. Folia metalowa o grubości około 5 nm jest zwykle stosowana pomiędzy warstwami dielektryka ze względu na jej wysoką zdolność prądową szczytową, ale nie -leczyć po długotrwałym stresie. Folię metalizowaną tworzy się pod wpływem próżni i zazwyczaj osadzając Al w temperaturze 1200 °C na folii do grubości około 20–50 nm, przy temperaturze folii w zakresie od –25 do –35 °C,
RYS. 3 Zmiana DF wraz z częstotliwością dla folii polipropylenowej.
RYS. 4 Konstrukcja kondensatora foliowego
chociaż można również stosować stopy cynku (Zn) i Al-Zn. Proces ten umożliwia samonaprawę, podczas której awarie w dowolnym miejscu dielektryka powodują miejscowe intensywne nagrzewanie, być może do 6000 ° C, powodując utworzenie plazmy. Metalizacja wokół kanału przebicia zostaje odparowana, a szybka ekspansja plazmy tłumi wyładowanie, co izoluje defekt i pozostawia kondensator w pełni funkcjonalny. Zmniejszenie pojemności jest minimalne, ale zwiększa się w czasie, co czyni ją użytecznym wskaźnikiem starzenia się elementu.
Powszechną metodą dalszego zwiększania niezawodności jest podzielenie metalizacji na folii na obszary, być może miliony, z wąskimi bramkami doprowadzającymi prąd do segmentów i działającymi jako bezpieczniki w przypadku dużych przeciążeń. Zwężenie całkowitej ścieżki prądu prowadzącej do metalizacji zmniejsza szczytowy prąd obciążenia elementu, ale wprowadzony dodatkowy margines bezpieczeństwa pozwala na użyteczną ocenę kondensatora przy wyższych napięciach.
Nowoczesny polipropylen ma wytrzymałość dielektryczną około 650 V/µm i jest dostępny w grubościach od około 1,9 µm i większych, dlatego rutynowo osiągalne jest napięcie znamionowe kondensatorów do kilku kilowoltów, a niektóre części mają nawet napięcie 100 kV. Jednakże przy wyższych napięciach czynnikiem staje się zjawisko wyładowania częściowego (PD), znane również jako wyładowanie koronowe. PD to przebicie pod wysokim napięciem mikropustek w masie materiału lub w szczelinach powietrznych pomiędzy warstwami materiału, powodujące częściowe zwarcie całej ścieżki izolacyjnej. PD (wyładowanie koronowe) pozostawia niewielki ślad węgla; początkowy efekt jest niezauważalny, ale z czasem może się kumulować, aż do całkowitego i nagłego zniszczenia osłabionej izolacji zawierającej węgiel. Efekt opisany jest krzywą Paschena pokazaną na rysunku 5 i ma charakterystyczne napięcie początkowe i wygaśnięcia. Rysunek pokazuje dwa przykładowe natężenia pola. Punkty powyżej krzywej Paschena, A, prawdopodobnie spowodują załamanie PD.
RYS. 5 Krzywa Paschena i przykładowe natężenia pola elektrycznego.
Aby przeciwdziałać temu efektowi, kondensatory o bardzo wysokim napięciu są impregnowane olejem, aby wykluczyć powietrze z powierzchni styku warstw. Typy o niższym napięciu są zwykle wypełnione żywicą, co również poprawia wytrzymałość mechaniczną. Innym rozwiązaniem jest utworzenie szeregowych kondensatorów w pojedynczych obudowach, co skutecznie zmniejsza spadek napięcia na każdym z nich do poziomu znacznie poniżej napięcia początkowego. Wyładowania niezupełne to efekt wynikający z natężenia pola elektrycznego, więc zwiększenie grubości dielektryka w celu zmniejszenia gradientu napięcia jest zawsze możliwe, ale zwiększa całkowity rozmiar kondensatora. Istnieją konstrukcje kondensatorów, które łączą folie i metalizację, aby zapewnić kompromis między szczytową wydajnością prądową a samonaprawą. Metalizację można również stopniować od krawędzi kondensatora, dzięki czemu grubszy materiał na krawędziach zapewnia lepszą obsługę prądu i solidniejsze zakończenie przez lutowanie lub spawanie, a stopniowanie może być ciągłe lub stopniowane.
Być może warto cofnąć się o krok i zaobserwować, w jaki sposób korzystne jest stosowanie kondensatorów elektrolitycznych Al. Jednym z przykładów jest przetwornica off-line o sprawności 90% i mocy 1 kW z przednim modułem o skorygowanym współczynniku mocy, wymagająca czasu pracy wynoszącego 20 ms, jak pokazano na rysunku 6. Zazwyczaj będzie ona wyposażona w wewnętrzną szynę prądu stałego z napięcie nominalne Vn wynoszące 400 V i napięcie zaniku Vd wynoszące 300 V, poniżej którego regulacja mocy wyjściowej zostaje utracona.
Kondensator zbiorczy C1 dostarcza energię w celu utrzymania stałej mocy wyjściowej przez określony czas przejazdu, gdy napięcie szyny spada 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 napięciu znamionowym 450 V.
Jeśli Kondensatory Al-elektrolityczne wówczas z równania wynika, że wymagana objętość wynosi w przybliżeniu 52 cm3 (tj. 3 do 3 ), np. jeśli TDK-EPCOS Stosowana jest seria B43508. W przeciwieństwie do tego, kondensatory foliowe byłyby niepraktycznie duże i wymagałyby około 15 równolegle przy całkowitej objętości 1500 cm3 (tj. 91 na 3), jeśli używana jest seria TDK-EPCO B32678. Różnica jest oczywista, ale wybór uległby zmianie, gdyby kondensator musiał kontrolować tętnienie napięcia na linii prądu stałego. Weźmy podobny przykład, w którym napięcie magistrali 400 V pochodzi z akumulatora, więc podtrzymanie nie jest wymagane. Istnieje jednak potrzeba ograniczenia efektu tętnienia do np. średniej kwadratowej (rms) 4 V z impulsów prądu o wysokiej częstotliwości o wartości skutecznej 80 A, pobieranych przez konwerter znajdujący się poniżej przy częstotliwości 20 kHz. Może to być zastosowanie w pojeździe elektrycznym, a wymaganą pojemność można w przybliżeniu obliczyć ze wzoru: C=irms/Vrippe.2.Π.f=80/4*2*3,14*20*1000=160 uF przy napięciu znamionowym 450 V.
RYS. 6 Kondensator do przejazdu (przytrzymaj). HVDC: wysokie napięcie prądu stałego.
Elektrolityczny przy 180 µF, 450 V może mieć prąd tętnienia wynoszący tylko około 3,5 A rms przy 60 °C, łącznie z korekcją częstotliwości (seria EPCOS B43508). Zatem dla 80 A potrzebne byłyby 23 kondensatory równolegle, co dałoby niepotrzebne 4140 µF przy całkowitej objętości 1200 cm3 (tj. 73 na 3). Jest to zgodne z czasami podawaną wartością znamionową prądu tętniącego 20 mA/µF dla elektrolitów. Jeśli weźmiemy pod uwagę kondensatory foliowe, teraz tylko cztery równolegle od EPCOS B32678 Seria zapewnia prąd tętnienia o wartości skutecznej 132 A w objętości 402 cm3 (tj. 24,5 w 3). Jeśli temperatura otoczenia jest ograniczona np. poniżej 70 °C, nadal można wybrać mniejszy rozmiar obudowy. Nawet jeśli wybierzemy elektrolity z innych powodów, nadmierna pojemność może powodować inne problemy, takie jak kontrolowanie energii prądu rozruchowego. Oczywiście, gdyby mogły wystąpić przejściowe przepięcia, kondensatory foliowe byłyby znacznie trwalsze w zastosowaniu. Przykładem może być lekka trakcja, gdzie przerywane połączenie z siecią trakcyjną powoduje przepięcie na połączeniu łącza prądu stałego.
Ten przykład jest typowy dla wielu współczesnych środowisk, takich jak systemy zasilania bezprzerwowego, energia wiatrowa i słoneczna, spawanie i falowniki podłączone do sieci. Różnice w kosztach pomiędzy elektrolitami foliowymi i Al można podsumować w liczbach opublikowanych w 2013 roku [2]. Typowe koszty szyny prądu stałego zasilanej napięciem 440 V prądu przemiennego można znaleźć w tabeli 1.
Inne zastosowania dotyczą odsprzęgania i obwody tłumiące w konwerterach lub falownikach. W tym przypadku należy zastosować konstrukcję folii/folii, jeśli pozwala na to rozmiar, ponieważ typy metalizowane wymagają specjalnych etapów projektowania i produkcji. W celu odsprzęgania kondensator jest umieszczany w poprzek szyny prądu stałego, aby zapewnić ścieżkę o niskiej indukcyjności dla krążących prądów o wysokiej częstotliwości, zwykle 1 µF na przełączane 100 A. Bez kondensatora prąd przepływa przez pętle o wyższej indukcyjności, powodując napięcia przejściowe (Vtr) zgodnie z następującą zależnością: Vtr =-Ldi/dt.
Przy możliwych zmianach prądu rzędu 1000 A/µs już kilka nanohenrów indukcyjności może wytworzyć znaczące napięcia. Ścieżki na płytce drukowanej mogą mieć indukcyjność około 1 nH/mm, zapewniając zatem w tej sytuacji około 1 Vtr/mm. Dlatego ważne jest, aby połączenia były jak najkrótsze. Aby kontrolować dV/dt w przełącznikach, kondensator i sieć rezystorów/diod są umieszczone równolegle z IGBT lub MOSFET (rysunek 7).
Spowalnia to dzwonienie, kontroluje zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) i zapobiega fałszywemu przełączaniu z powodu wysokiego poziomu
RYS. 7 Przełącznik się zacina. RYS. 8 Kondensatory foliowe jako tłumienie zakłóceń elektromagnetycznych. RYS. 9 Kondensatory foliowe w filtrowaniu EMC napędu silnikowego.
dV/dt, szczególnie w IGBT. Punktem wyjścia jest często ustawienie pojemności tłumiącej w przybliżeniu dwukrotnie większej od sumy pojemności wyjściowej przełącznika i pojemności montażowej, a następnie dobranie rezystora tak, aby krytycznie tłumił wszelkie dzwonienie. Sformułowano bardziej optymalne podejścia do projektowania.
Kondensatory polipropylenowe o klasie bezpieczeństwa są często stosowane w liniach energetycznych w celu zmniejszenia zakłóceń elektromagnetycznych w trybie różnicowym (rysunek 8). Ich zdolność do wytrzymywania przejściowych przepięć i samonaprawy ma kluczowe znaczenie. Kondensatory w tych pozycjach mają oznaczenie X1 lub X2 i są w stanie wytrzymać stany przejściowe odpowiednio 4 i 2,5 kV. Stosowane wartości są często podawane w mikrofaradach, aby zapewnić zgodność z typowymi normami kompatybilności elektromagnetycznej (EMC) przy dużych poziomach mocy. Kondensatory foliowe typu Y można również stosować w pozycjach uziemienia w celu tłumienia szumów w trybie wspólnym, gdy wartość pojemności jest ograniczona ze względu na prąd upływowy (rysunek 8). Wersje Y1 i Y2 są dostępne odpowiednio dla wartości znamionowych przejściowych 8 i 5 kV. Niskie indukcyjności przyłączeniowe kondensatorów foliowych pomagają także utrzymać wysoki rezonans własny.
Coraz popularniejszym zastosowaniem kondensatorów niespolaryzowanych jest tworzenie filtrów dolnoprzepustowych z cewkami szeregowymi w celu tłumienia harmonicznych o wysokiej częstotliwości na wyjściu prądu przemiennego napędów i falowników (rysunek 9). Kondensatory polipropylenowe są często używane ze względu na ich niezawodność, wysoką wartość znamionową prądu tętniącego i dobrą wydajność objętościową w zastosowaniu, a cewki indukcyjne i kondensatory są często pakowane razem w jeden moduł. Obciążenia takie jak silniki są często oddalone od jednostki napędowej, a filtry służą do umożliwienia systemom spełnienia wymagań EMC i zmniejszenia naprężeń w okablowaniu i silnikach spowodowanych nadmiernymi poziomami dV/dt.
