Den mangfoldige samlingen av kondensatortyper har ikke endret seg mye de siste årene, men applikasjoner har absolutt. I denne artikkelen ser vi på hvordan kondensatorer brukes i kraftelektronikk og sammenligner de tilgjengelige teknologiene. Filmkondensatorer viser fordelene sine i kommende applikasjoner som Elektriske kjøretøyer , alter- innfødt energikraftkonvertering, og omformere i stasjoner . Imidlertid er aluminium (AL) elektrolytika fremdeles viktig når energilagringstetthet er hovedkravet.
Al elektrolitisk eller filmkondensator?
Det er lett å avskjedige Al Electrolytics Som gårsdagens teknologi, men differensieringen i ytelse mellom dem og filmalternativet er ikke alltid så tydelig. Når det metallisert polypropylen er sammenlignbare. Al Electrolytics opprettholder også sin rippelstrømning ved høyere temperaturer bedre enn konkurrerende filmkondensatorer. Selv de opplevde problemene og pålitelighetsproblemene er ikke så signifikante når AL -elektrolytika er passende avledet. Al Electrolytics er fremdeles veldig attraktiv der gjennomføringen av en DC-bussspenning på strømbrudd er nødvendig uten batterisikkerhet. Når kostnadene for eksempel er en drivende faktor, er det spesielt vanskelig å forutse filmkondensatorer som overtar fra bulkkondensatorene i råvare-strømforsyning.
Film vinner på mange måter
Filmkondensatorer har flere betydelige fordeler i forhold til andre kondensatorer: Ekvivalente seriemotstand (ESR) rangeringer kan være dramatisk lavere, noe som fører til mye bedre ripplecurrent håndtering. Surge-spenningsvurderinger er også overlegne, og kanskje mest betydelig kan filmkondensatorer selvhelie
Fig 1 Kondensatorfilmegenskapene.
Fig 2 Variasjonen av DF med temperaturen for polypropylenfilm.
Etter stress, noe som fører til bedre systemets pålitelighet og levetid. Imidlertid avhenger evnen til selvhelning av stressnivået, toppverdiene og repetisjonshastigheten. I tillegg er eventuell katastrofal svikt fortsatt mulig på grunn av karbonavsetning og sikkerhetsskader fra plasmabuen som genereres under feilrydding. Disse egenskapene samsvarer med de moderne anvendelsene av kraftkonvertering i elektriske kjøretøyer og alternative energisystemer der det ikke er noe hold som kreves med strømbrudd eller mellom linjefrekvens krusningstopper. Hovedkravet er muligheten til å skaffe og synke høyfrekvente krusningsstrømmer som kan nå hundrevis om ikke tusenvis av forsterkere, samtidig som de opprettholder tålelige tap og høy pålitelighet. Det er også en bevegelse til høyere bussspenninger for å redusere ohmiske tap ved gitte effektnivåer. Dette vil bety en serieforbindelse av Al -elektrolytika med deres iboende maksimale spenningsvurdering på omtrent 550 V. For å unngå spenningsubalanse, kan det være nødvendig å velge de dyre kondensatorene med matchede verdier og bruke spenningsbalanseringsmotstander med tilhørende tap og kostnader.
Pålitelighetsproblemet er ikke greit, selv om elektrolytika under kontrollerte forhold er sammenlignbare med kraftfilm, noe som betyr at de typisk vil tåle bare 20% av overspenningen før det oppstår skade. Derimot tåler filmkondensatorer kanskje 100% av overspenningen i begrensede perioder. Ved svikt kan elektrolytika kortslutning og eksplodere, og ta ned en hel bank med serie/parallelle komponenter med en farlig elektrolyttutladning. Filmkondensatorer kan også selve seg selv, men systemets pålitelighet under autentiske forhold med sporadisk stress kan være veldig forskjellig mellom de to typene. Som med alle komponenter, kan høye fuktighetsnivåer forringe filmkondensatorens ytelse, og for best pålitelighet bør dette være godt kontrollert. En annen praktisk differensierer er enkel montering av filmkondensatorer - de er tilgjengelige i isolerte, volumetrisk effektive rektangulære boksekapslinger med en rekke elektriske tilkoblingsalternativer, fra skrueterminaler til lugs, fastoner og bussstenger, sammenlignet med de typiske runde metallbokser av elektrolytikere. Den ikke-polare dielektriske filmen gir omvendt-sikret montering og tillater bruk i applikasjoner der AC brukes, for eksempel i inverter-output-filtrering.
Selvfølgelig er det mange filmkondensator dielektriske typer tilgjengelige, og figur 1 gir et sammendrag av deres komparative forestillinger [1]. Polypropylenfilm er den generelle vinneren når tap og pålitelighet under stress er de viktigste hensynene på grunn av den lave DF og høye dielektriske sammenbrudd per tykkelse. De andre filmene kan være bedre for temperaturvurdering og kapasitans/volum, med høyere dielektriske konstanter og tynnere filmtilgjengelighet, og ved lave spenninger er polyester fremdeles i vanlig bruk. DF er spesielt viktig og definert som ESR/kapasitiv reaktans, og den er vanligvis spesifisert ved 1 kHz og 25 ° C. En lav DF i sammenligning med andre dielektriske stoffer innebærer lavere oppvarming og er en måte å sammenligne tap per mikrofarad. DF varierer litt med frekvens og temperatur, men polypropylen fungerer best. Figur 2 og 3 viser de typiske tomtene.
Det er to hovedtyper av filmkondensatorkonstruksjoner som bruker folie og avsatt metallisering, som vist i figur 4. Metallfolie som er omtrent 5-nm tykk brukes vanligvis mellom dielektriske lag for sin høye toppstrømsevne, men det er ikke selvhell etter varig stress. Metallisert film dannes av et vakuum og avsetter typisk AL ved 1200 ° C på filmen til en tykkelse på omtrent 20–50 nm med filmens temperatur fra −25 til −35 ° C,
Fig 3 Variasjonen av DF med frekvensen for polypropylenfilm.
Fig 4 Filmkondensatorkonstruksjonen
Selv om sink (Zn) og Al-Zn-legeringer også kan brukes. Denne prosessen muliggjør selvheling, der sammenbrudd når som helst gjennom den dielektriske forårsaker lokal intens oppvarming, kanskje opptil 6000 ° C, noe som fører til at et plasma dannes. Metalliseringen rundt nedbrytningskanalen blir fordampet, med den raske ekspansjonen av plasma som slukker utslippet, som isolerer defekten og etterlater kondensatoren fullt funksjonell. Reduksjonen av kapasitansen er minimal, men additiv over tid, noe som gjør det til en nyttig indikator på aldring av komponenten.
En vanlig metode for ytterligere pålitelighetsforbedring er å segmentere metalliseringen på filmen til områder, kanskje millioner, med smale porter som fôrer strømmen i segmentene og fungerer som sikringer for grove overbelastninger. Begrensningen av den totale strømbanen til metalliseringen reduserer toppstrømbehandlingen av komponenten, men den ekstra sikkerhetsmarginen som er introdusert, lar kondensatoren være nyttig vurdert ved høyere spenninger.
Moderne polypropylen har en dielektrisk styrke på omtrent 650 v/um og er tilgjengelig i tykkelser på omtrent 1,9 um og oppover, så kondensatorspenningsvurderinger opp til flere kilovolt er rutinemessig oppnåelig, med noen deler til og med vurdert til 100 kV. Ved høyere spenninger blir imidlertid fenomenet delvis utladning (PD), også kjent som koronautladning, en faktor. PD er den høyspentede nedbrytningen av mikrovoider i hoveddelen av materialet eller i lufthullene mellom lag med materiale, noe som forårsaker en delvis kortslutning av den totale isolasjonsveien. PD (koronautladning) etterlater et lite karbonspor; Den innledende effekten er umerkelig, men kan samle seg over tid til det oppstår en grov og plutselig sammenbrudd av den svekkede, karbonsporede isolasjonen. Effekten er beskrevet av Paschen -kurven, vist i figur 5, og har en karakteristisk oppstart og utryddelsesspenning. Figuren viser to eksempler på feltstyrker. Punkter over Paschen -kurven, A, vil sannsynligvis produsere en PD -nedbrytning.
Fig 5 Paschen -kurven og eksempler på elektriske feltstyrker.
For å motvirke effekten, er veldig høyspenningsrangerte kondensatorer olje impregnert for å ekskludere luft fra laggrensesnitt. Nedre spenningstyper har en tendens til å være harpiksfylt, noe som også hjelper med mekanisk robusthet. En annen løsning er å danne seriekondensatorer i enkelthus, og effektivt redusere spenningsfallet over hver til godt under oppstartsspenningen. PD er en effekt på grunn av elektrisk feltintensitet, så økende dielektrisk tykkelse for å redusere spenningsgradienten er alltid mulig, men øker den totale størrelsen på kondensatoren. Det er kondensatordesign som kombinerer folier og metallisering for å gi et kompromiss mellom toppstrømfunksjon og selvheling. Metalliseringen kan også graderes fra kanten av kondensatoren slik at tykkere materiale i kantene gir bedre strømbehandling og mer robust avslutning ved lodding eller sveising, og graderingen kan være kontinuerlig eller tråkket.
Det er kanskje nyttig å ta et skritt tilbake og observere hvordan bruk av al-elektrolytiske kondensatorer er fordelaktig. Et eksempel er i en 90%-effektiv, 1-kW off-line omformer med en kraftfaktor-korrigert frontend, og trenger en 20-ms tur gjennom, som vist i figur 6. Den vil vanligvis ha en intern DC-buss med nominell spenning, VN, på 400 V og en frafall, VD, VD, på 300 V, under hvilken utgangsregulering er tapt.
Bulkkondensator C1 leverer energi for å opprettholde konstant utgangseffekt i løpet av den spesifiserte kjøretiden når bussspenningen synker fra 400 til 300 V etter et strømbrudd. Matematisk, PO T/H = 1/2 C (VN²-VD²) eller C = 2*1000*0,02/0,9*(400²-300²) = 634NF ved 450 V-vurdering.
Hvis Al-elektrolytiske kondensatorer brukes, da resulterer ligningen i et nødvendig volum på omtrent 52 cm3 (dvs. 3 av 3), f.eks. Hvis TDK-EPCOS B43508 -serien brukes. I motsetning til dette ville filmkondensatorer være upraktisk store, noe som kanskje krever 15 parallelt med et totalt volum på 1500 cm3 (dvs. 91 i 3) hvis TDK-EPCOS B32678-serien brukes. Forskjellen er åpenbar, men valget vil endre seg hvis kondensatoren trengte for å kontrollere krusningsspenningen på en DC -linje. Ta et lignende eksempel der 400-V-bussspenningen er fra et batteri, så holdet er ikke nødvendig. Imidlertid er det behov for å redusere ringvirkningen til, for eksempel 4 V root gjennomsnittlig kvadrat (RMS) fra 80 A RMS høyfrekvente strømpulser tatt av en nedstrøms omformer ved 20 kHz. Dette kan være en elektrisk kjøretøysapplikasjon, og kapasitansen som kreves kan tilnærmes fra C = IRMS/Vrippe.2.π.F = 80/4*2*3.14*20*1000 = 160 UF ved 450 V -vurdering.
Fig 6 Kondensatoren for en tur gjennom (hold opp). HVDC: Høyspent DC.
En elektrolytisk ved 180 µF, 450 V kan ha en ripplecurrent -rating på bare omtrent 3,5 A RMS ved 60 ° C, inkludert frekvenskorrigering (EPCOS B43508 -serie). For 80 A ville således være nødvendig med 23 kondensatorer, og produsere en unødvendig 4.140 µF med et totalt volum på 1200 cm3 (dvs. 73 i 3). Dette er i samsvar med den til tider siterte 20 mA/µF rippelstrømmen for elektrolytika. Hvis filmkondensatorer vurderes, nå, bare fire parallelle fra EPCOS B32678 Serien gir en 132-A RMS-rippelstrømning i et volum på 402 cm3 (dvs. 24,5 i 3). Hvis temperaturen er begrenset til, for eksempel mindre enn 70 ° C -omgivelsene, kan en mindre saksstørrelse fortsatt velges. Selv om vi velger elektrolytika på andre grunnlag, kan overflødig kapasitans forårsake andre problemer, for eksempel å kontrollere energien i inrushstrøm. Hvis forbigående overspenninger kan oppstå, ville selvfølgelig filmkondensatorene være langt mer robuste i applikasjonen. Et eksempel på dette vil være i lett trekkraft, der en periodisk forbindelse til en domstol forårsaker overspenning på DC-Link-tilkoblingen.
Dette eksemplet er typisk for mange miljøer i dag, for eksempel i uavbrutt strømforsyningssystemer, vind- og solenergi, sveising og nettbundne omformere. Kostnadsforskjellene mellom film og AL -elektrolytika kan oppsummeres i figurer publisert i 2013 [2]. De typiske kostnadene for en DC-Bus fra utbedret 440 VAC finner du i tabell 1.
Andre applikasjoner er for avkobling og Snubberkretser i omformere eller omformere. Her skal film/folie konstruksjon brukes hvis størrelsen tillater det, da metalliserte typer krever spesiell design og produksjonstrinn. Som avkobling plasseres kondensatoren over DC-bussen for å gi en lav induktansbane for sirkulerende høyfrekvente strømmer, typisk 1 µF per 100 a byttet. Uten kondensatoren sirkulerer strømmen gjennom høyere induktansløkker, og forårsaker forbigående spenninger (VTR) i henhold til følgende: VTR = -LDI/DT.
Med nåværende endringer på 1000 A/µs mulig, kan bare noen få nanohenries av induktans gi betydelige spenninger. Trykte spor-spor kan ha en induktans på rundt 1 NH/mm, og gir derfor omtrent 1 VTR/mm i denne situasjonen. Dermed er det viktig at forbindelser er så korte som mulig. For å kontrollere DV/ dt på tvers av brytere, plasseres kondensatoren og et motstand/ diodetettverk parallelt med en IGBT eller MOSFET (figur 7).
Dette bremser ringing, kontrollerer elektromagnetisk interferens (EMI) og forhindrer falsk bytte på grunn av høy
Fig 7 Bryteren snubber. Fig 8 Filmkondensatorene som EMI -undertrykkelse. Fig. 9 Filmkondensatorene i Motor-Drive EMC-filtrering.
DV/DT, spesielt i IGBT -er. Et utgangspunkt er ofte å gjøre snubberkapasitansen omtrent det dobbelte av summen av bryterutgangskapasitansen og monteringskapasitansen, og motstanden blir deretter valgt til å kritisk dempe enhver ringing. Mer optimale designmetoder er formulert.
Sikkerhetsrangerte polypropylenkondensatorer brukes ofte på tvers av kraftledninger for å redusere differensialmodus EMI (figur 8). Deres evne til å tåle forbigående overspenninger og selvheling er avgjørende. Kondensatorer i disse stillingene er vurdert som x1 eller x2, som tåler henholdsvis 4- og 2,5 kV transienter. Verdiene som brukes er ofte i mikrofaradene for å oppnå samsvar med typiske elektromagnetiske kompatibilitetsstandarder (EMC) på høye effektnivåer. Film Y-type kondensatorer kan også brukes i linje-til-jordsposisjoner for å dempe vanlig modus støy der CA-pacitance-verdien er begrenset på grunn av lekkasjestrømshensyn (figur 8). Y1- og Y2-versjoner er tilgjengelige for henholdsvis 8- og 5-kV forbigående rangeringer. Lav tilkoblingsinduktanser for filmkondensatorer Hjelp også med å holde selvresonansene høye.
En økende applikasjon for ikke-polariserte kondensatorer er å danne lavpassfilter med serieinduktorer for å dempe høyfrekvensharmonikker i vekselstrømutgangen til stasjoner og omformere (figur 9). Polypropylenkondensatorer brukes ofte for deres pålitelighet, høy rippelstrømning og god volumetrisk effektivitet i applikasjonen, og induktorene og kondensatorene pakkes ofte sammen i en modul. Belastninger som motorer er ofte fjernt fra drivenheten, og filtre brukes til å gjøre det mulig for systemer for å oppfylle EMC -kravene og redusere stress på kabling og motorer fra overdreven DV/DT -nivåer.
