Rozmanitá sbírka typů kondenzátorů se v posledních letech příliš nezměnila, ale žádosti jistě mají. V tomto článku se podíváme na to, jak se kondenzátory používají v energetické elektronice a porovnáváme dostupné technologie. Filmové kondenzátory ukazují své výhody v nadcházejících aplikacích, jako je elektrická vozidla , změna přeměny energie energie a střídače v jednotkách . Elektrolytika hliníku (AL) je však stále důležitá, pokud je hlavním požadavkem hustota skladování energie.
Al elektrolitický nebo filmový kondenzátor?
Je snadné zamítnout Al elektrolytika Jako včerejší technologie, ale diferenciace ve výkonu mezi nimi a alternativou filmu není vždy tak jasná. Pokud jde o skladovanou hustotu energie, tj. Jouly/Cubic Centimetry, jsou stále před standardními filmovými kondenzátory, ačkoli exotické varianty, jako je segmentovaná vysoce krykstalinka metalizovaný polypropylen jsou srovnatelné. AL elektrolytiky také udržují své hodnocení zvlnění při vyšších teplotách lépe než konkurenční filmové kondenzátory. Dokonce ani problémy vnímaného života a spolehlivosti nejsou tak významné, když jsou elektrolytiky AL náležitě sníženy. Elektrolytika AL je stále velmi atraktivní, pokud je vyžadována jízda napětí DC sběrnicí na výpadku napájení bez zálohování baterie. Například, pokud jsou náklady hnacím faktorem, je obzvláště obtížné předvídat filmové kondenzátory převzetí z hromadných kondenzátorů v komoditních off-line napájecích zdrojích.
Film vyhrává v mnoha ohledech
Filmové kondenzátory mají oproti ostatním kondenzátorům několik významných výhod: hodnocení ekvivalentního odolnosti (ESR) může být dramaticky nižší, což vede k mnohem lepšímu manipulaci s ripplecurrent. Hodnocení napětí napětí je také lepší a možná nejvýznamněji se mohou filmové kondenzátory samolébat
Obr. 1 Charakteristiky kondenzátoru filmu.
Obr. 2 Variace DF s teplotou pro polypropylenový film.
Po stresu, což vede k lepší spolehlivosti systému a životnosti. Schopnost samoléčení však závisí na úrovni stresu, maximálních hodnotách a míře opakování. Kromě toho je případné katastrofické selhání stále možné kvůli ukládání uhlíku a poškození kolaterálu z oblouku plazmy generované během čištění poruchy. Tyto charakteristiky odpovídají moderním aplikacím přeměny energie v elektrických vozidlech a alternativních energetických systémech, kde není nutné zadržet s výpadky nebo mezi vrcholy zvlnění frekvencí. Hlavním požadavkem je schopnost zdroje a potopení vysokofrekvenčních zvlněných proudů, které by mohly dosáhnout stovek, ne-li tisíce zesilovačů při zachování tolerovatelných ztrát a vysoké spolehlivosti. K dispozici je také pohyb k vyššímu napětí sběrnice, aby se snížilo ohmické ztráty při daných úrovních výkonu. To by znamenalo sériové spojení AL elektrolytik s jejich vlastním maximálním hodnocením napětí přibližně 550 V. Abychom se vyhnuli nerovnováze napětí, může být nutné zvolit drahé kondenzátory s odpovídajícími hodnotami a použít vyrovnávací rezistory napětí s jejich souvisejícími ztrátami a náklady.
Problém spolehlivosti není jednoduchý, ačkoli za kontrolovaných podmínek je elektrolytika srovnatelná s výkonem, což znamená, že obvykle vydrží pouze 20% přepětí před poškozením. Naproti tomu filmové kondenzátory vydrží asi 100% přepětí po omezenou dobu. Po selhání může elektrolytika zkratovat a explodovat, snižovat celou banku řady/paralelních komponent s nebezpečným výbojem elektrolytu. Filmové kondenzátory se mohou také klouzat, ale spolehlivost systému za autentických podmínek občasného stresu se může mezi těmito dvěma typy velmi lišit. Stejně jako u všech složek může vysoká úroveň vlhkosti zhoršovat výkon filmového kondenzátoru a pro nejlepší spolehlivost by to mělo být dobře kontrolováno. Dalším praktickým diferenciatorem je snadnost montážních filmových kondenzátorů - jsou k dispozici v izolovaných, objemových obdélníkových krabicových skříních s různými možnostmi elektrického připojení, od šroubových terminálů po o lug, fastony a autobusové tyčinky, ve srovnání s typickými kulatými kovovými plechovkami elektrolytiků. Nepolární dielektrický film poskytuje montáž reverzní odolnosti a umožňuje použití v aplikacích, kde se aplikuje AC, například při filtrování střídače-výstup.
K dispozici je samozřejmě mnoho dielektrických typů filmových kondenzátorů a obrázek 1 uvádí shrnutí jejich srovnávacích výkonů [1]. Polypropylenový film je celkovým vítězem, když ztráty a spolehlivost ve stresu jsou hlavními úvahami kvůli jeho nízkému DF a vysokému dielektrickému rozpadu na tloušťku jednotky. Ostatní filmy mohou být lepší pro teplotní hodnocení a kapacitance/objem, s vyšší dielektrickými konstanty a dostupností tenčích filmů a při nízkých napětích je polyester stále běžně používán. DF je obzvláště důležitý a definován jako ESR/kapacitní reaktance a je obvykle specifikován při 1 kHz a 25 ° C. Nízký DF ve srovnání s jinými dielektrikami znamená nižší zahřívání a je způsob porovnání ztrát na mikrofarad. DF se mírně mění s frekvencí a teplotou, ale polypropylen funguje nejlépe. Obrázky 2 a 3 ukazují typické grafy.
Existují dva hlavní typy konstrukcí filmových kondenzátorů, které používají fólii a usazenou metalizaci, jak je znázorněno na obrázku 4. Kovová fólie, která je přibližně 5 nm tlustá, se obvykle používá mezi dielektrickými vrstvami pro svou vysokou schopnost špičkového proudu, ale po spuštění stresu se nepohne. Metalovaný film je tvořen vakuem a obvykle ukládá Al při 1 200 ° C na film na tloušťku zhruba 20–50 nm s teplotou filmu v rozmezí od -25 do -35 ° C,
Obr. 3 Variace DF s frekvencí pro polypropylenový film.
Obr. 4 Konstrukce kondenzátoru filmu
Přestože lze použít také slitiny zinku (Zn) a Al-Zn. Tento proces umožňuje samoléčení, kde se rozdělení v každém bodě v celé dielektrické příčině lokalizované intenzivní vytápění, možná až 6 000 ° C, což způsobuje vytvoření plazmy. Metalizace kolem rozkladového kanálu je odpařena, s rychlou expanzí plazmy zhášející výboj, což izoluje vadu a ponechává kondenzátor plně funkční. Snížení kapacitance je v průběhu času minimální, ale aditivní, což z něj činí užitečný ukazatel stárnutí komponenty.
Běžnou metodou pro další zvýšení spolehlivosti je segmentovat metalizaci na filmu do oblastí, možná miliony, přičemž úzké brány přivádějí proud do segmentů a působí jako pojistky pro hrubé přetížení. Zúžení celkové cesty proudu k metalizaci snižuje manipulaci s maximálním proudem komponenty, ale zavedená navíc zavedená bezpečnostní okraj umožňuje, aby byl kondenzátor užitečně hodnocen při vyšších napětích.
Moderní polypropylen má dielektrickou pevnost přibližně 650 obj./ um a je k dispozici v tloušťkách zhruba 1,9 um a nahoru, takže hodnocení napětí kondenzátoru až do několika kilovoltů je běžně dosažitelné, přičemž některé části jsou dokonce hodnoceny na 100 kV. Při vyšších napětích se však faktorem stává jev částečného výboje (PD), známý také jako korona vypouštění. PD je vysokopěťové rozpady mikrovoidů ve velkém materiálu nebo ve vzduchových mezerách mezi vrstvami materiálu, což způsobuje částečný zkrat celkové izolační cesty. PD (výboj korony) zanechává mírnou stopu uhlíku; Počáteční účinek je nepostřehnutelný, ale může se v průběhu času hromadit, dokud nedojde k hrubému a náhlému rozpadu oslabené izolace vycházející uhlík. Účinek je popsán křivkou Paschen, znázorněná na obrázku 5, a má charakteristické napětí a vyhynutí. Obrázek ukazuje dvě silné stránky pole. Body nad křivkou Paschen, A, pravděpodobně vytvoří rozklad PD.
Obr. 5 Křivka Paschen a příklad síly elektrického pole.
Aby se čelil tomuto účinku, jsou kondenzátory s vysokým napětím olejem impregnovány, aby se vyloučily vzduch z rozhraní vrstvy. Typy nižšího napětí bývají naplněny pryskyřicí, což také pomáhá s mechanickou robustností. Dalším řešením je vytvoření kondenzátorů řady v jednotlivých pouzdrech, které účinně snižuje pokles napětí napříč každým na hluboko pod založeným napětím. PD je účinek v důsledku intenzity elektrického pole, takže zvyšování dielektrické tloušťky pro snížení napěťového gradientu je vždy možné, ale zvyšuje celkovou velikost kondenzátoru. Existují kondenzátory, které kombinují fólie a metalizaci, aby poskytovaly kompromis mezi schopnostmi špičkovým proudem a samoléčením. Metalizaci může být také odstupňována z okraje kondenzátoru tak, aby silnější materiál na okrajích poskytoval lepší manipulaci s proudem a robustnější ukončení pájení nebo svařováním a třídění může být nepřetržité nebo stupňové.
Možná je užitečné udělat krok zpět a pozorovat, jak je výhodné používání al-elektrolytických kondenzátorů. Jedním z příkladů je 90%-efektivní, 1-kW off-line převodník s výkonem-faktorově korigovaným předním koncem, který potřebuje projížďku 20 ms, jak je znázorněno na obrázku 6. Obvykle bude mít vnitřní DC sběrnice s nominálním napětím, VN, 400 V, VD, VD, 300 V, níže, níže je výstupní regulace.
Hromadný kondenzátor C1 dodává energii k udržení konstantního výstupního výkonu během stanovené doby jízdy, když napětí sběrnice klesá ze 400 na 300 V po výpadku. Matematicky, PO T/H = 1/2 C (vn²-Vd²) nebo C = 2*1000*0,02/0,9*(400²-300²) = 634nf při 450 V.
Li Al-Elektrolytické kondenzátory jsou použity, pak rovnice vede k požadovanému objemu zhruba 52 cm3 (tj. 3 v 3), např. Pokud je to TDK-EPCOS Používá se řada B43508. Naproti tomu by filmové kondenzátory byly neprakticky velké, vyžadovaly asi 15 paralelně v celkovém objemu 1 500 cm3 (tj. 91 v 3), pokud by se použila řada TDK-EPCOS B32678. Rozdíl je zřejmý, ale volba by se změnila, pokud by kondenzátor potřeboval pro ovládání zvlněného napětí na DC linii. Vezměte podobný příklad, kde je napětí sběrnice 400 V z baterie, takže zadržení není vyžadováno. Je však třeba snížit zvlněný efekt, např. 4 V Střední čtvercový (RMS) z 80 A RMS vysokofrekvenční proudové pulzy odebrané downstream převodníkem při 20 kHz. Mohlo by to být aplikace elektrického vozidla a požadovaná kapacitast může být aproximována z C = IRMS/Vrippe.2.π.F = 80/4*2*3,14*20*1000 = 160 UF při hodnocení 450 V.
Obr. 6 Kondenzátor pro projížďku (vydrž). HVDC: vysokopěťové DC.
Elektrolytický při 180 µF, 450 V může mít ripplecurrent hodnocení pouze zhruba 3,5 A RMS při 60 ° C, včetně korekce frekvence (série EPCOS B43508). Pro 80 A by tedy bylo paralelně vyžadováno 23 kondenzátorů, což by vytvořilo zbytečných 4 140 µF s celkovým objemem 1 200 cm3 (tj. 73 v 3). To odpovídá někdy citovanému hodnocení 20 mA/µF zvlnění pro elektrolytiku. Pokud jsou zvažovány filmové kondenzátory, nyní pouze čtyři paralelně z EPCOS B32678 Série dávají 132-A RMS zvlněné hodnocení v objemu 402 cm3 (tj. 24,5 v 3). Pokud je teplota omezena, např. Okolní okolí menší než 70 ° C, pak lze stále zvolit menší velikost pouzdra. I když si vybereme elektrolytiku z jiných důvodů, nadměrná kapacita by mohla způsobit další problémy, jako je kontrola energie v proudu vložení. Samozřejmě, pokud by mohly dojít k přechodným přepětí, pak by filmové kondenzátory byly v aplikaci mnohem robustnější. Příkladem by to bylo ve světelné trakci, kde přerušované spojení s trochou způsobuje přepětí na připojení DC-Link.
Tento příklad je dnes typický pro mnoho prostředí, například v nepřerušitelných systémech napájení, větru a sluneční energie, svařování a střídače vázaných na mřížku. Rozdíly nákladů mezi filmem a Al elektrolytikou lze shrnout na obrázcích zveřejněných v roce 2013 [2]. Typické náklady na DC-Bus z rektifikovaných 440 VAC lze nalézt v tabulce 1.
Další aplikace jsou pro oddělení a Snubberské obvody v převaděčích nebo střídačkách. Zde by se měla konstrukce filmu/fólie používat, pokud povolení velikosti, protože metalizované typy vyžadují speciální návrhové a výrobní kroky. Při oddělení je kondenzátor umístěn přes DC sběrnici, aby poskytoval nízkou cestu indukční cesty pro cirkulující vysokofrekvenční proudy, obvykle 1 µF na 100 a přepínání. Bez kondenzátoru se proud cirkuluje přes smyčky s vyšší indukcí, což způsobuje přechodná napětí (VTR) podle následujícího: VTR = -ldi/dt.
S možnými změnami proudu o 1 000 A/µs může jen několik nanohenrií indukčnosti způsobit významná napětí. Stopy potištěné okruhy mohou mít indukčnost přibližně 1 NH/mm, proto v této situaci zajišťuje zhruba 1 VTR/mm. Je tedy důležité, aby spojení byla co nejkratší. Pro ovládání DV/ DT napříč přepínači jsou kondenzátor a síť rezistoru/ diody umístěny paralelně s IGBT nebo MOSFET (obrázek 7).
To zpomaluje zvonění, ovládá elektromagnetické rušení (EMI) a zabraňuje rušivému přepínání kvůli vysokému
Obr. 7 Přepínač snub. Obr. 8 Filmové kondenzátory jako potlačení EMI. Obr. 9 Filmové kondenzátory při filtrování EMC s motorem.
DV/DT, zejména v IGBT. Výchozím bodem je často snubborovou kapacitu zhruba dvojnásobkem součtu výstupní výstupní kapacitance a montážní kapacitance a odpor je poté zvolen, aby kriticky vlhkoval. Byly formulovány více optimálních návrhových přístupů.
Polypropylenové kondenzátory s hodnocením bezpečnosti se často používají napříč elektrickými vedeními ke snížení diferenciálního režimu EMI (obrázek 8). Jejich schopnost vydržet přechodné přepětí a seberealizaci je zásadní. Kondenzátory v těchto pozicích jsou hodnoceny jako x1 nebo x2, které vydrží přechody 4 a 2,5 kV. Použité hodnoty jsou často v mikrofaradách k dosažení souladu s typickými standardy elektromagnetické kompatibility (EMC) při vysokých úrovních výkonu. Kondenzátory typu filmu Y lze také použít v pozicích v linii k zemi ke zmírnění šumu běžného režimu, kde je hodnota pacitance CA omezena kvůli úniku proudu pro únik (obrázek 8). Verze Y1 a Y2 jsou k dispozici pro přechodné hodnocení 8 a 5 kV. Indukčnost filmových kondenzátorů s nízkým připojením Pomáhá také udržovat vysokou seberesonance.
Rostoucí aplikace pro nepolarizované kondenzátory je vytvoření nízkoprůchodových filtrů s induktory série pro zeslabení vysokofrekvenčních harmonických ve výstupu střídavého proudu disků a střídačů (obrázek 9). Polypropylenové kondenzátory se často používají pro jejich spolehlivost, vysoké hodnocení zvlněných proudů a dobré objemové účinnosti v aplikaci a induktory a kondenzátory jsou často zabaleny do jednoho modulu. Zátěže, jako jsou motory, jsou často vzdálená od pohonné jednotky a filtry se používají k tomu, aby systémy splňovaly požadavky EMC a snížily stres na kabeláž a motory z nadměrné úrovně DV/DT.
