Rozmanitá sbírka typů kondenzátorů se v posledních letech příliš nezměnila, ale aplikace rozhodně ano. V tomto článku se podíváme na to, jak se používají kondenzátory ve výkonové elektronice, a porovnáme dostupné technologie. Filmové kondenzátory ukazují své výhody v připravovaných aplikacích, jako je např elektrická vozidla , přeměna energie z alternativní energie a měniče v pohonech . Elektrolytika hliníku (Al) je však stále důležitá, když je hlavním požadavkem hustota akumulace energie.
Al elektrolytický nebo filmový kondenzátor?
Je snadné odmítnout Al elektrolyty jako včerejší technologie, ale rozdíl ve výkonu mezi nimi a filmovou alternativou není vždy tak jasný. Pokud jde o hustotu uložené energie, tj. jouly/kubické centimetry, jsou stále před standardními filmovými kondenzátory, i když exotické varianty, jako jsou segmentované vysokokrystalické metalizovaný polypropylen jsou srovnatelné. Al elektrolyty si také udržují svůj jmenovitý zvlněný proud při vyšších teplotách lépe než konkurenční fóliové kondenzátory. Dokonce ani problémy s životností a spolehlivostí nejsou tak významné, když jsou Al elektrolyty náležitě sníženy. Al elektrolyty jsou stále velmi atraktivní tam, kde je vyžadováno přebití stejnosměrného napětí sběrnice při výpadku proudu bez zálohování baterií. Například, když je hnacím faktorem cena, je obzvláště obtížné předvídat, že filmové kondenzátory převezmou funkci velkoobjemových kondenzátorů v komoditních off-line napájecích zdrojích.
Film vítězí v mnoha ohledech
Fóliové kondenzátory mají několik významných výhod oproti jiným kondenzátorům: jmenovité hodnoty ekvivalentního sériového odporu (ESR) mohou být výrazně nižší, což vede k mnohem lepší manipulaci s vlnitým proudem. Hodnoty rázového napětí jsou také vynikající a, což je možná nejdůležitější, filmové kondenzátory se mohou samy uzdravit
Obr Charakteristika filmu kondenzátoru.
Obr Změna DF s teplotou pro polypropylenovou fólii.
Po stresu, což vede k lepší spolehlivosti a životnosti systému. Schopnost samoléčení však závisí na úrovni stresu, špičkových hodnotách a frekvenci opakování. Navíc je stále možné případné katastrofické selhání v důsledku ukládání uhlíku a vedlejšího poškození plazmovým obloukem generovaným během odstraňování závad. Tyto charakteristiky odpovídají moderním aplikacím přeměny energie v elektrických vozidlech a alternativních energetických systémech, kde není vyžadováno zdržení s výpadky nebo mezi špičkami zvlnění linky. Hlavním požadavkem je schopnost vytvářet a pohlcovat vysokofrekvenční zvlněné proudy, které mohou dosahovat stovek, ne-li tisíců ampérů při zachování tolerovatelných ztrát a vysoké spolehlivosti. Dochází také k přechodu na vyšší napětí sběrnice, aby se snížily ohmické ztráty při daných úrovních výkonu. To by znamenalo sériové zapojení Al elektrolytů s jejich inherentním maximálním jmenovitým napětím přibližně 550 V. Aby se zabránilo napěťové nerovnováze, může být nutné zvolit drahé kondenzátory se shodnými hodnotami a použít napěťové vyrovnávací odpory s jejich souvisejícími ztrátami a náklady.
Otázka spolehlivosti není přímočará, i když za kontrolovaných podmínek jsou elektrolyty srovnatelné s napájecím filmem, což znamená, že obvykle vydrží pouze 20 % přepětí, než dojde k poškození. Naproti tomu fóliové kondenzátory vydrží po omezenou dobu snad 100% přepětí. Při poruše může dojít ke zkratu a explozi elektrolytu, čímž dojde k zničení celé řady sériových/paralelních součástek s nebezpečným výbojem elektrolytu. Fóliové kondenzátory se mohou také samy uzdravit, ale spolehlivost systému za autentických podmínek občasného namáhání se může mezi těmito dvěma typy velmi lišit. Stejně jako u všech komponent může vysoká vlhkost snížit výkon fóliového kondenzátoru a pro nejlepší spolehlivost by to mělo být dobře kontrolováno. Dalším praktickým rozdílem je snadná montáž fóliových kondenzátorů – jsou k dispozici v izolovaných, objemově účinných obdélníkových krabicových pouzdrech s různými možnostmi elektrického připojení, od šroubových svorek po oka, fastony a přípojnice, ve srovnání s typickými kulatými kovovými plechovkami. elektrolyty. Nepolární dielektrický film poskytuje montáž odolnou proti obrácení a umožňuje použití v aplikacích, kde se používá střídavý proud, jako je filtrace na výstupu měniče.
Samozřejmě je k dispozici mnoho typů dielektrik fóliových kondenzátorů a na obrázku 1 je uveden souhrn jejich srovnávacích výkonů [1]. Polypropylenová fólie je celkovým vítězem, když jsou hlavními hledisky ztráty a spolehlivost pod napětím kvůli jejímu nízkému DF a vysokému dielektrickému průrazu na jednotku tloušťky. Ostatní fólie mohou být lepší pro teplotní hodnocení a kapacitu/objem, s vyššími dielektrickými konstantami a dostupností tenčích vrstev a při nízkém napětí se stále běžně používá polyester. DF je obzvláště důležité a je definováno jako ESR/kapacitní reaktance a obvykle se uvádí při 1 kHz a 25 °C. Nízký DF ve srovnání s jinými dielektriky znamená nižší zahřívání a je to 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 fóliových kondenzátorů, které používají fólii a nanášenou metalizaci, jak je znázorněno na obrázku 4. Kovová fólie o tloušťce přibližně 5 nm se typicky používá mezi dielektrickými vrstvami pro svou schopnost vysokého špičkového proudu, ale sama se nevypíná. - uzdravit se po stresu. Metalizovaný film je tvořen vakuem a typickým nanášením Al při 1200 °C na film do tloušťky zhruba 20–50 nm s teplotou filmu v rozmezí -25 až -35 °C,
Obr Změna DF s frekvencí pro polypropylenovou fólii.
Obr Konstrukce filmového kondenzátoru
i když lze použít i slitiny zinku (Zn) a Al-Zn. Tento proces umožňuje samoléčení, kdy poruchy v kterémkoli místě dielektrika způsobují lokální intenzivní zahřívání, možná až na 6 000 °C, což způsobuje tvorbu plazmatu. Pokovení kolem průrazného kanálu se odpaří, přičemž rychlá expanze plazmy zháší výboj, což izoluje defekt a zanechává kondenzátor plně funkční. Snížení kapacity je minimální, ale v průběhu času aditivní, což z něj činí užitečný indikátor stárnutí součásti.
Obvyklá metoda pro další zvýšení spolehlivosti je segmentovat pokovení na fólii do oblastí, možná milionů, s úzkými hradly přivádějícími proud do segmentů a fungujícími jako pojistky pro velká přetížení. Zúžení cesty celkového proudu k metalizaci sice snižuje manipulaci se špičkovým proudem součástky, ale zavedená zvláštní bezpečnostní rezerva umožňuje, aby byl kondenzátor užitečně dimenzován na vyšší napětí.
Moderní polypropylen má dielektrickou pevnost přibližně 650 V/µm a je k dispozici v tloušťkách zhruba 1,9 µm a více, takže jmenovité napětí kondenzátoru až do několika kilovoltů je běžně dosažitelné, přičemž některé části jsou dokonce dimenzovány na 100 kV. Při vyšších napětích se však stává faktorem jev částečného výboje (PD), také známý jako korónový výboj. PD je vysokonapěťový průraz mikrodutin v objemu materiálu nebo ve vzduchových mezerách mezi vrstvami materiálu, který způsobí částečný zkrat na celkové izolační trase. PD (korónový výboj) zanechává nepatrnou uhlíkovou stopu; počáteční účinek je nepostřehnutelný, ale může se časem akumulovat, dokud nedojde k hrubému a náhlému porušení oslabené izolace s uhlíkovými stopami. Účinek je popsán Paschenovou křivkou, znázorněnou na obrázku 5, a má charakteristické počáteční a zánikové napětí. Obrázek ukazuje dva příklady intenzity pole. Body nad Paschenovou křivkou, A, pravděpodobně způsobí rozklad PD.
Obr Paschenova křivka a příklady intenzity elektrického pole.
K potlačení tohoto efektu jsou kondenzátory s velmi vysokým napětím impregnovány olejem, aby se z rozhraní vrstev vyloučil vzduch. Nízkonapěťové typy mají tendenci být plněny pryskyřicí, což také přispívá k mechanické odolnosti. Dalším řešením je vytvoření sériových kondenzátorů v jednotlivých pouzdrech, které účinně snižují úbytek napětí na každém z nich hluboko pod počáteční napětí. PD je efekt způsobený intenzitou elektrického pole, takže zvýšení tloušťky dielektrika pro snížení gradientu napětí je vždy možné, ale zvětší celkovou velikost kondenzátoru. Existují konstrukce kondenzátorů, které kombinují fólie a metalizaci, aby poskytly kompromis mezi schopností špičkového proudu a samoléčením. Pokovení lze také odstupňovat od okraje kondenzátoru, takže silnější materiál na okrajích poskytuje lepší zpracování proudu a robustnější zakončení pájením nebo svařováním, a odstupňování může být kontinuální nebo stupňovité.
Možná je užitečné udělat krok zpět a zjistit, jak je použití Al-elektrolytických kondenzátorů výhodné. Jedním z příkladů je off-line měnič o výkonu 1 kW s 90% účinností a předním koncem s korekcí účiníku, který potřebuje průchod 20 ms, jak je znázorněno na obrázku 6. Obvykle bude mít interní stejnosměrnou sběrnici s jmenovité napětí Vn 400 V a výpadkové napětí Vd 300 V, pod kterým se ztrácí regulace výkonu.
Objemový kondenzátor C1 dodává energii pro udržení konstantního výstupního výkonu během specifikované doby průjezdu, když napětí sběrnice po výpadku klesne ze 400 na 300 V. Matematicky, Po t/h = 1/2 C(Vn²-Vd²) nebo C=2*1000*0,02/0,9*(400²-300²) =634nF při jmenovitém napětí 450 V.
Li Al-elektrolytické kondenzátory Pokud jsou použity, pak rovnice vede k požadovanému objemu zhruba 52 cm3 (tj. 3 na 3), např. TDK-EPCOS Používá se řada B43508. Naproti tomu fóliové kondenzátory by byly neprakticky velké a vyžadovaly by možná 15 paralelně při celkovém objemu 1500 cm3 (tj. 91 v 3), pokud se použije řada TDK-EPCOS B32678. Rozdíl je zřejmý, ale volba by se změnila, pokud by kondenzátor potřeboval řídit zvlnění napětí na stejnosměrném vedení. Vezměme si podobný příklad, kde je napětí sběrnice 400 V z baterie, takže zdržení není nutné. Existuje však potřeba snížit efekt zvlnění na např. 4 V střední kvadratická hodnota (rms) z vysokofrekvenčních proudových impulsů 80 A rms odebraných následným převodníkem při 20 kHz. Mohlo by se jednat o aplikaci elektrického vozidla a požadovanou kapacitu lze odhadnout z C=irms/Vrippe.2.Π.f=80/4*2*3,14*20*1000=160 uF při jmenovitém napětí 450 V.
Obr Kondenzátor pro průjezd (podržet). HVDC: vysokonapěťový stejnosměrný proud.
Elektrolytika při 180 µF, 450 V může mít jmenovitý zvlněný proud pouze zhruba 3,5 A rms při 60 °C, včetně frekvenční korekce (řada EPCOS B43508). Pro 80 A by tedy bylo zapotřebí 23 kondenzátorů paralelně, což by produkovalo zbytečných 4 140 µF s celkovým objemem 1 200 cm3 (tj. 73 in 3 ). To je v souladu s někdy uváděným jmenovitým zvlněním proudu 20 mA/µF pro elektrolyty. Pokud uvažujeme filmové kondenzátory, nyní pouze čtyři paralelně od EPCOS B32678 série poskytuje jmenovitý zvlněný proud 132 A rms v objemu 402 cm3 (tj. 24,5 na 3). Pokud je teplota omezena např. na okolní teplotu nižší než 70 °C, lze přesto zvolit menší velikost pouzdra. I když zvolíme elektrolyty z jiných důvodů, nadměrná kapacita by mohla způsobit další problémy, jako je řízení energie v zapínacím proudu. Samozřejmě, pokud by mohlo dojít k přechodným přepětím, pak by byly fóliové kondenzátory v aplikaci daleko robustnější. Příkladem může být lehká trakce, kde přerušované připojení k troleji způsobí přepětí na stejnosměrném spojení.
Tento příklad je typický pro mnoho dnešních prostředí, jako jsou systémy nepřerušitelného napájení, větrná a solární energie, svařování a střídače připojené k síti. Rozdíly v nákladech mezi filmem a Al elektrolytikou lze shrnout v číslech publikovaných v roce 2013 [2]. Typické náklady na stejnosměrnou sběrnici z usměrněných 440 Vac lze nalézt v tabulce 1.
Další aplikace jsou pro oddělení a odlehčovací obvody v konvertorech nebo invertorech. Zde by měla být použita konstrukce fólie/fólie, pokud to velikost dovoluje, protože metalizované typy vyžadují speciální konstrukční a výrobní kroky. Jako oddělení je kondenzátor umístěn přes stejnosměrnou sběrnici, aby poskytoval cestu s nízkou indukčností pro cirkulující vysokofrekvenční proudy, typicky 1 µF na 100 A spínaných. Bez kondenzátoru proud cirkuluje přes smyčky s vyšší indukčností, což způsobuje přechodná napětí (Vtr) podle následujícího: Vtr =-Ldi/dt.
S možnými změnami proudu o 1 000 A/µs může jen několik nanohenrie indukčnosti produkovat významná napětí. Stopy desek s plošnými spoji mohou mít indukčnost kolem 1 nH/mm, což v této situaci poskytuje zhruba 1 Vtr/mm. Proto je důležité, aby spojení byla co nejkratší. Pro ovládání dV/dt přes spínače jsou kondenzátor a síť rezistorů/diod umístěny paralelně se IGBT nebo MOSFET (obrázek 7).
To zpomaluje vyzvánění, kontroluje elektromagnetické rušení (EMI) a zabraňuje falešnému přepínání kvůli vysokému napětí
Obr Vypínání spínače. Obr Fóliové kondenzátory jako potlačení EMI. OBR. 9 Fóliové kondenzátory ve filtraci EMC motorového pohonu.
dV/dt, zejména v IGBT. Výchozím bodem je často vytvoření tlumicí kapacity zhruba dvojnásobku součtu výstupní kapacity spínače a montážní kapacity a rezistor je pak zvolen tak, aby kriticky tlumil jakékoli zvonění. Byly formulovány optimálnější přístupy k návrhu.
Bezpečnostní polypropylenové kondenzátory se často používají napříč elektrickým vedením, aby se snížilo EMI v diferenciálním režimu (obrázek 8). Jejich schopnost odolávat přechodným přepětím a samoléčení je zásadní. Kondenzátory v těchto polohách jsou dimenzovány jako X1 nebo X2, které vydrží přechodné jevy 4 a 2,5 kV. Používané hodnoty jsou často v mikrofaradech, aby bylo dosaženo shody s typickými standardy elektromagnetické kompatibility (EMC) při vysokých úrovních výkonu. Fóliové kondenzátory typu Y lze také použít v polohách mezi linií a zemí pro ztlumení šumu v běžném režimu tam, kde je hodnota kapacitní rezonance omezena kvůli úvahám o svodovém proudu (obrázek 8). Verze Y1 a Y2 jsou k dispozici pro přechodové napětí 8 a 5 kV. Nízké připojovací indukčnosti fóliových kondenzátorů také pomáhají udržovat vysoké vlastní rezonance.
Rostoucí aplikací pro nepolarizované kondenzátory je vytváření dolnopropustných filtrů se sériovými tlumivkami pro tlumení vysokofrekvenčních harmonických ve střídavém výstupu měničů a měničů (obrázek 9). Polypropylenové kondenzátory se často používají pro svou spolehlivost, vysokou jmenovitost zvlněného proudu a dobrou objemovou účinnost v aplikaci a tlumivky a kondenzátory jsou často zabaleny společně v jednom modulu. Zátěže, jako jsou motory, jsou často daleko od pohonné jednotky a používají se filtry, které umožňují systémům splnit požadavky EMC a snížit namáhání kabeláže a motorů nadměrnými úrovněmi dV/dt.
