Den mangfoldige samlingen av kondensatortyper har ikke endret seg mye de siste årene, men applikasjonene har absolutt gjort det. I denne artikkelen ser vi på hvordan kondensatorer brukes i kraftelektronikk og sammenligner tilgjengelige teknologier. Filmkondensatorer viser sine fordeler i kommende applikasjoner som f.eks elektriske kjøretøy , alternativ energieffektkonvertering, og omformere i frekvensomformere . Imidlertid er aluminium (Al) elektrolytikk fortsatt viktig når energilagringstetthet er hovedkravet.
Al elektrolitt eller filmkondensator?
Det er lett å avfeie Al elektrolytikk som gårsdagens teknologi, men forskjellen i ytelse mellom dem og filmalternativet er ikke alltid så tydelig. Når det gjelder lagret energitetthet, dvs. joule/kubikkcentimeter, er de fortsatt foran standard filmkondensatorer, selv om eksotiske varianter som segmentert høykrystallinsk metallisert polypropylen er sammenlignbare. Dessuten opprettholder Al-elektrolytika sin rippelstrømvurdering ved høyere temperaturer bedre enn konkurrerende filmkondensatorer. Selv de opplevde livs- og pålitelighetsproblemene er ikke så betydelige når Al-elektrolytika er passende redusert. Al elektrolytikk er fortsatt veldig attraktivt der det kreves gjennomkjøring av en DC-bussspenning ved strømbrudd uten batteriback-up. For eksempel, når kostnadene er en drivende faktor, er det spesielt vanskelig å forutse at filmkondensatorer tar over fra bulkkondensatorene i off-line strømforsyninger.
Film vinner på mange måter
Filmkondensatorer har flere betydelige fordeler i forhold til andre kondensatorer: Ekvivalent seriemotstand (ESR) kan være dramatisk lavere, noe som fører til mye bedre rippelstrømhåndtering. Overspenningsklassifiseringer er også overlegne, og kanskje viktigst, filmkondensatorer kan selvhelbredende
FIG 1 Kondensatorfilmens egenskaper.
FIG 2 Variasjonen av DF med temperaturen for polypropylenfilm.
Etter stress, noe som fører til bedre systempålitelighet og levetid. Imidlertid avhenger evnen til selvhelbredelse av stressnivået, toppverdier og repetisjonshastigheten. I tillegg er eventuell katastrofal svikt fortsatt mulig på grunn av karbonavsetning og sideskade fra plasmabuen generert under feilrydding. Disse egenskapene samsvarer med de moderne bruksområdene for kraftkonvertering i elektriske kjøretøy og alternative energisystemer der det ikke er behov for å holde opp med strømbrudd eller mellom linjefrekvens-ripple-topper. Hovedkravet er evnen til å kilde og senke høyfrekvente krusningsstrømmer som kan nå hundrevis om ikke tusenvis av ampere, samtidig som tolerable tap og høy pålitelighet opprettholdes. Det er også en bevegelse til høyere bussspenninger for å redusere ohmske tap ved gitte effektnivåer. Dette vil bety en seriekobling av Al-elektrolytikk med deres iboende maksimale spenningsklassifisering på ca. 550 V. For å unngå spenningsubalanse kan det være nødvendig å velge de dyre kondensatorene med avstemte verdier og bruke spenningsbalanseringsmotstander med tilhørende tap og kostnader.
Pålitelighetsproblemet er ikke enkelt, selv om elektrolytikk under kontrollerte forhold er sammenlignbare med kraftfilm, noe som betyr at de typisk vil tåle bare 20 % av overspenningen før skaden oppstår. Derimot tåler filmkondensatorer kanskje 100 % overspenning i begrensede perioder. Ved svikt kan elektrolytikk kortslutte og eksplodere, og ta ned en hel rekke serie-/parallelle komponenter med en farlig elektrolyttutladning. Filmkondensatorer kan også selvhelbredende, men systemets pålitelighet under autentiske forhold med sporadisk stress kan være svært forskjellig mellom de to typene. Som med alle komponenter kan høye fuktighetsnivåer forringe filmkondensatorytelsen, og for best mulig pålitelighet bør dette kontrolleres godt. En annen praktisk differensierende faktor er den enkle monteringen av filmkondensatorer – de er tilgjengelige i isolerte, volumetrisk effektive rektangulære boksskap med en rekke elektriske tilkoblingsmuligheter, fra skrueterminaler til ører, fastoner og samleskinner, sammenlignet med de typiske runde metallboksene på elektrolytikk. Den upolare dielektriske filmen gir reverssikker montering og tillater bruk i applikasjoner der vekselstrøm brukes, for eksempel ved inverter-utgangsfiltrering.
Selvfølgelig er det mange dielektriske filmkondensatortyper tilgjengelig, og figur 1 gir et sammendrag av deres komparative ytelser [1]. Polypropylenfilm er den totale vinneren når tap og pålitelighet under stress er hovedbetraktningene på grunn av dens lave DF og høye dielektriske sammenbrudd per enhetstykkelse. De andre filmene kan være bedre for temperaturvurdering og kapasitans/volum, med høyere dielektriske konstanter og tynnere filmtilgjengelighet, og ved lave spenninger er polyester fortsatt 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 sammenlignet med andre dielektrikum innebærer lavere oppvarming og er en måte å sammenligne tap per mikrofarad. DF varierer litt med frekvens og temperatur, men polypropylen fungerer best. Figurene 2 og 3 viser de typiske plottene.
Det er to hovedtyper av filmkondensatorkonstruksjoner som bruker folie og avsatt metallisering, som vist i figur 4. Metallfolie som er ca. 5 nm tykk brukes vanligvis mellom dielektriske lag på grunn av sin høye toppstrømsevne, men den gjør seg ikke selv. -helbrede seg etter å ha slitt med stress. Metallisert film dannes ved et vakuum og ved typisk å avsette Al ved 1200 °C på filmen til en tykkelse på omtrent 20–50 nm med filmens temperatur i området fra –25 til –35 °C,
FIG 3 Variasjonen av DF med frekvensen for polypropylenfilm.
FIG 4 Konstruksjonen av filmkondensatoren
selv om sink (Zn) og Al-Zn legeringer også kan brukes. Denne prosessen muliggjør selvhelbredelse, der sammenbrudd på et hvilket som helst punkt gjennom dielektrikumet forårsaker lokalisert intens oppvarming, kanskje opp til 6000 °C, som forårsaker at det dannes plasma. Metalliseringen rundt nedbrytningskanalen fordampes, med den raske ekspansjonen av plasmaet som slukker utladningen, noe som isolerer defekten og etterlater kondensatoren fullt ut funksjonell. Reduksjonen av kapasitans er minimal, men additiv over tid, noe som gjør den til en nyttig indikator på aldring av komponenten.
En vanlig metode for ytterligere forbedring av påliteligheten er å segmentere metalliseringen på filmen i områder, kanskje millioner, med smale porter som mater strømmen inn i segmentene og fungerer som sikringer for grov overbelastning. Innsnevringen av den totale strømbanen til metalliseringen reduserer toppstrømhåndteringen av komponenten, men den ekstra sikkerhetsmarginen som er introdusert gjør at kondensatoren kan vurderes ved høyere spenninger.
Moderne polypropylen har en dielektrisk styrke på omtrent 650 V/µm og er tilgjengelig i tykkelser på omtrent 1,9 µm og oppover, så kondensatorspenningsklassifiseringer på opptil flere kilovolt er rutinemessig oppnåelige, med noen deler til og med vurdert til 100 kV. Ved høyere spenninger blir imidlertid fenomenet partiell utladning (PD), også kjent som koronautladning, en faktor. PD er høyspenningssammenbruddet av mikrohulrom i massen av materialet eller i luftspaltene mellom lag med materiale, som forårsaker en delvis kortslutning av den totale isolasjonsveien. PD (koronautslipp) etterlater et lite karbonspor; den første effekten er umerkelig, men kan akkumuleres over tid inntil en grov og plutselig sammenbrudd av den svekkede, karbonsporede isolasjonen oppstår. Effekten er beskrevet av Paschen-kurven, vist i figur 5, og har en karakteristisk begynnelses- og slukkingsspenning. Figuren viser to eksempler på feltstyrker. Punkter over Paschen-kurven, A, vil sannsynligvis gi et PD-sammenbrudd.
FIG 5 Paschen-kurven og eksempler på elektriske feltstyrker.
For å motvirke effekten er kondensatorer med svært høy spenning oljeimpregnert for å utelukke luft fra laggrensesnittene. Typer med lavere spenning har en tendens til å være harpiksfylt, noe som også hjelper med mekanisk robusthet. En annen løsning er å danne seriekondensatorer i enkelthus, som effektivt reduserer spenningsfallet over hver til godt under startspenningen. PD er en effekt på grunn av elektrisk feltintensitet, så å øke 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 toppstrømkapasitet og selvhelbredelse. Metalliseringen kan også graderes fra kanten av kondensatoren slik at tykkere materiale i kantene gir bedre strømhåndtering og mer robust avslutning ved lodding eller sveising, og graderingen kan være kontinuerlig eller trinnvis.
Det er kanskje nyttig å ta et skritt tilbake og se hvordan det er fordelaktig å bruke Al-elektrolytiske kondensatorer. Et eksempel er en 90 % effektiv, 1 kW off-line omformer med en effektfaktorkorrigert frontend, som trenger en 20 ms tur gjennom, som vist i figur 6. Den vil typisk ha en intern likestrømsbuss med nominell spenning, Vn, på 400 V og en utfallsspenning, Vd, på 300 V, under hvilken utgangsreguleringen går tapt.
Bulkkondensatoren C1 leverer energi for å opprettholde konstant utgangseffekt i løpet av den spesifiserte kjøretiden når bussspenningen faller fra 400 til 300 V etter et strømbrudd. Matematisk er Po t/h =1/2 C(Vn²-Vd²) eller C=2*1000*0,02/0,9*(400²-300²) =634nF ved 450 V klassifisering.
Hvis Al-elektrolytiske kondensatorer brukes, resulterer ligningen i et nødvendig volum på omtrent 52 cm3 (dvs. 3 i 3), for eksempel hvis TDK-EPCOS B43508-serien brukes. I motsetning til dette vil filmkondensatorer være upraktisk store, og kanskje kreve 15 parallelle ved et totalt volum på 1500 cm3 (dvs. 91 i 3) hvis TDK-EPCOS B32678-serien brukes. Forskjellen er åpenbar, men valget ville endret seg hvis kondensatoren trengte å kontrollere krusningsspenningen på en likestrømslinje. Ta et lignende eksempel der 400-V bussspenningen kommer fra et batteri, så hold opp er ikke nødvendig. Imidlertid er det et behov for å redusere krusningseffekten til f.eks. 4 V root mean squared (rms) fra 80 A rms høyfrekvente strømpulser tatt av en nedstrøms omformer ved 20 kHz. Dette kan være et elektrisk kjøretøy, og den nødvendige kapasitansen kan beregnes fra C=irms/Vrippe.2.Π.f=80/4*2*3,14*20*1000=160 uF ved 450 V-klassifisering.
FIG 6 Kondensatoren for en tur gjennom (hold opp). HVDC: høyspent likestrøm.
En elektrolytisk ved 180 µF, 450 V kan ha en krusningsstrøm på bare omtrent 3,5 A rms ved 60 °C, inkludert frekvenskorreksjon (EPCOS B43508-serien). For 80 A vil det derfor være nødvendig med 23 kondensatorer parallelt, noe som gir unødvendige 4140 µF med et totalt volum på 1200 cm3 (dvs. 73 i 3). Dette samsvarer med den noen ganger oppgitte 20 mA/µF rippelstrømklassifiseringen for elektrolytikk. Hvis filmkondensatorer vurderes, nå, bare fire parallelt fra EPCOS B32678 serien gir en 132-A rms krusningsstrømvurdering i et volum på 402 cm3 (dvs. 24,5 in 3 ). Hvis temperaturen er begrenset til for eksempel mindre enn 70 °C omgivelsestemperatur, kan en mindre kassestørrelse fortsatt velges. Selv om vi velger elektrolytikk på andre grunnlag, kan den overskytende kapasitansen forårsake andre problemer, som å kontrollere energien i innkoblingsstrømmen. Selvfølgelig, hvis transiente overspenninger kunne oppstå, ville filmkondensatorene være langt mer robuste i applikasjonen. Et eksempel på dette vil være i lett trekkraft, hvor en intermitterende kobling til en kontaktledning forårsaker overspenning på DC-link-forbindelsen.
Dette eksemplet er typisk for mange miljøer i dag, for eksempel i avbruddsfrie strømforsyningssystemer, vind- og solenergi, sveising og nettbundne omformere. Kostnadsforskjellene mellom film og Al elektrolytikk kan oppsummeres i tall publisert i 2013 [2]. De typiske kostnadene for en likestrømsbuss fra rettet 440 Vac finner du i tabell 1.
Andre bruksområder er for frakobling og snubberkretser i omformere eller omformere. Her bør film/foliekonstruksjon brukes hvis størrelsen tillater det, da metalliserte typer krever spesielle design- og produksjonstrinn. Som frakobling plasseres kondensatoren over DC-bussen for å gi en lavinduktansbane for sirkulerende høyfrekvente strømmer, typisk 1 µF per 100 A svitsjet. Uten kondensatoren sirkulerer strømmen gjennom sløyfer med høyere induktans, og forårsaker transiente spenninger (Vtr) i henhold til følgende: Vtr =-Ldi/dt.
Med strømendringer på 1000 A/µs mulig, kan bare noen få nanohenries av induktans produsere betydelige spenninger. Spor for trykte kretskort kan ha en induktans på rundt 1 nH/mm, og gir derfor omtrent 1 Vtr/mm i denne situasjonen. Derfor er det viktig at forbindelsene er så korte som mulig. For å kontrollere dV/dt på tvers av brytere, er kondensatoren og et motstands-/diodenettverk plassert parallelt med en IGBT eller MOSFET (Figur 7).
Dette bremser ringing, kontrollerer elektromagnetisk interferens (EMI) og forhindrer falsk veksling på grunn av høy
FIG 7 Bryteren snubbing. FIG 8 Filmkondensatorene som EMI-undertrykkelse. FIG 9 Filmkondensatorene i motordrevet EMC-filtrering.
dV/dt, spesielt i IGBT-er. Et utgangspunkt er ofte å gjøre snubber-kapasitansen omtrent det dobbelte av summen av bryterutgangskapasitansen og monteringskapasitansen, og motstanden velges da for å kritisk dempe enhver ringing. Mer optimale designtilnærminger har blitt formulert.
Sikkerhetsklassifiserte polypropylenkondensatorer brukes ofte over kraftledninger for å redusere differensialmodus EMI (Figur 8). Deres evne til å tåle forbigående overspenninger og selvhelbredelse er avgjørende. Kondensatorer i disse posisjonene er klassifisert 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 standarder for elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) ved høye effektnivåer. Kondensatorer av Y-type film kan også brukes i linje-til-jord-posisjoner for å dempe fellesmodusstøy der kapasitansverdien er begrenset på grunn av lekkasjestrømhensyn (Figur 8). Y1- og Y2-versjoner er tilgjengelige for henholdsvis 8- og 5-kV transientklassifiseringer. Lave tilkoblingsinduktanser til filmkondensatorer også bidra til å holde selvresonansen høy.
En økende anvendelse for ikke-polariserte kondensatorer er å lage lavpassfiltre med serieinduktorer for å dempe høyfrekvente harmoniske i vekselstrømutgangen til frekvensomformere og omformere (Figur 9). Polypropylenkondensatorer brukes ofte for deres pålitelighet, høye krusningsstrøm og god volumetrisk effektivitet i applikasjonen, og induktorer og kondensatorer er ofte pakket sammen i en modul. Belastninger som motorer er ofte langt fra drivenheten, og filtre brukes for å gjøre det mulig for systemer å oppfylle EMC-kravene og redusere belastningen på kabling og motorer fra for høye dV/dt-nivåer.
