Den forskellige samling af kondensatortyper har ikke ændret sig meget i de senere år, men applikationer har bestemt. I denne artikel ser vi på, hvordan kondensatorer bruges i effektelektronik og sammenligner de tilgængelige teknologier. Filmkondensatorer viser deres fordele i kommende applikationer såsom Elektriske køretøjer , ændrede indfødte energikraftomdannelse og Invertere i drev . Imidlertid er aluminium (AL) elektrolytik stadig vigtig, når energilagringstætheden er hovedkravet.
Al elektrolitisk eller filmkondensator?
Det er let at afvise Al elektrolytik Som gårsdagens teknologi, men differentieringen i ydeevne mellem dem og filmalternativet er ikke altid så klart. Med hensyn til lagret energitæthed, dvs. joules/kubikcentimeter, er de stadig foran standardfilmkondensatorer, selvom eksotiske varianter såsom segmenteret højkrystallinsk Metaliseret polypropylen er sammenlignelige. Al Electrolytics opretholder også deres rippelstrømsvurdering ved højere temperaturer bedre end konkurrerende filmkondensatorer. Selv de opfattede livs- og pålidelighedsproblemer er ikke så betydningsfulde, når al -elektrolytik er passende afledt. EL-elektrolytik er stadig meget attraktive, hvor gennemgangen af en DC-busspænding på et strømafbrydelse kræves uden batteri-sikkerhedskopi. For eksempel, når omkostninger er en drivende faktor, er det især vanskeligt at foregribe filmkondensatorer, der overtager fra bulkkondensatorerne i råvare off-line strømforsyninger.
Film vinder på mange måder
Filmkondensatorer har adskillige betydelige fordele i forhold til andre kondensatorer: Ækvivalent seriemodstand (ESR) -vurderinger kan være dramatisk lavere, hvilket fører til meget bedre rupplecurrent håndtering. Overspændingsvurderinger er også overlegne, og måske mest markant kan filmkondensatorer selvhel
Fig. 1 Kondensatorfilmkarakteristika.
Fig. 2 Variationen af DF med temperaturen for polypropylenfilm.
Efter stress, der førte til bedre system pålidelighed og levetid. Evnen til selvhel afhænger imidlertid af stressniveauet, spidsværdierne og gentagelsesraten. Derudover er eventuel katastrofal svigt stadig mulig på grund af kulstofaflejring og sikkerhedsskader fra plasma -buen, der blev genereret under fejlrydning. Disse egenskaber matcher de moderne anvendelser af strømkonvertering i elektriske køretøjer og alternative energisystemer, hvor der ikke kræves nogen opbevaring med strømafbrydelser eller mellem linjfrekvente krusningstoppe. Hovedkravet er evnen til at købe og synke højfrekvente krusningsstrømme, der muligvis når hundreder, hvis ikke tusinder af forstærker, mens de opretholder acceptable tab og høj pålidelighed. Der er også en bevægelse til højere busspændinger for at reducere ohmiske tab ved givne effektniveauer. Dette ville betyde en serieforbindelse af AL -elektrolytik med deres iboende maksimale spændingsklassificering på ca. 550 V. For at undgå en spænding ubalance kan det være nødvendigt at vælge de dyre kondensatorer med matchede værdier og bruge spændingsbalancerende modstande med deres tilknyttede tab og omkostninger.
Pålidelighedsspørgsmålet er ikke ligetil, selvom elektrolytik under kontrollerede forhold er sammenlignelige med magtfilm, hvilket betyder, at de typisk kun vil modstå 20% af overspænding, før skader opstår. I modsætning hertil kan filmkondensatorer måske modstå 100% af overspænding i begrænsede perioder. Efter fiasko kan elektrolytik kortslutning og eksplodere og nedtage en hel bank med serie/parallelle komponenter med en farlig elektrolytudladning. Filmkondensatorer kan også selvhel, men systemets pålidelighed under autentiske betingelser for lejlighedsvis stress kan være meget forskellig mellem de to typer. Som med alle komponenter kan niveauer med høj luftfugtighed forringe filmkondensatorens ydeevne, og for bedste pålidelighed bør dette være godt kontrolleret. En anden praktisk differentierer er let at montere filmkondensatorer - de fås i isolerede, volumetrisk effektive rektangulære kasseindkapslinger med en række elektriske forbindelsesmuligheder, fra skrueterminaler til lugs, fastoner og busstænger sammenlignet med de typiske runde metal dåser af elektrolytika. Den ikke-polære dielektriske film giver reverse-proof montering og tillader anvendelse i applikationer, hvor AC anvendes, såsom i inverter-output-filtrering.
Der er selvfølgelig mange filmkondensatorer dielektriske typer tilgængelige, og figur 1 giver et resumé af deres komparative forestillinger [1]. Polypropylenfilm er den samlede vinder, når tab og pålidelighed under stress er de vigtigste overvejelser på grund af dens lave DF og høje dielektriske nedbrydning pr. Enhedstykkelse. De andre film kan være bedre til temperaturvurdering og kapacitans/volumen med højere dielektriske konstanter og tyndere filmtilgængelighed, og ved lave spændinger er polyester stadig i almindelig brug. DF er især vigtig og defineret som ESR/kapacitiv reaktans, og den er normalt specificeret ved 1 kHz og 25 ° C. En lav DF i sammenligning med andre dielektrik indebærer lavere opvarmning og er en måde at sammenligne tab pr. Mikrofarad på. DF varierer lidt med frekvens og temperatur, men polypropylen fungerer bedst. Figur 2 og 3 viser de typiske plot.
Der er to hovedtyper af filmkondensatorkonstruktioner, der bruger folie og deponeret metallisering, som vist i figur 4. Metalfolie, der er ca. 5-nm tyk, bruges typisk mellem dielektriske lag til dets høje spidsstrømsevne, men det er ikke selvhel efter vedvarende stress. Metaliseret film er dannet af et vakuum og ved typisk at deponere Al ved 1.200 ° C på filmen til en tykkelse på ca. 20–50 nm med filmens temperatur, der spænder fra −25 til −35 ° C,
Fig. 3 Variationen af DF med frekvensen for polypropylenfilm.
Fig. 4 Filmkondensatorens konstruktion
Selvom zink (Zn) og al-Zn-legeringer også kan bruges. Denne proces muliggør selvhelbredelse, hvor sammenbrud på ethvert tidspunkt i hele dielektrisk forårsager lokaliseret intens opvarmning, måske op til 6.000 ° C, hvilket får en plasma til at dannes. Metalliseringen omkring nedbrydningskanalen fordampes med den hurtige ekspansion af plasma, der slukker udladningen, som isolerer defekten og efterlader kondensatoren fuldt funktionel. Reduktionen af kapacitans er minimal, men additiv over tid, hvilket gør det til en nyttig indikator for aldring af komponenten.
En almindelig metode til yderligere forbedring af pålideligheden er at segmentere metalliseringen på filmen i områder, måske millioner, med smalle porte, der fodrer strømmen i segmenterne og fungerer som sikringer for brutto overbelastning. Indsnævringen af den samlede aktuelle sti til metalliseringen reducerer den maksimale strømhåndtering af komponenten, men den ekstra sikkerhedsmargin, der introduceres, gør det muligt for kondensatoren at blive bedømt med højere spændinger.
Moderne polypropylen har en dielektrisk styrke på ca. 650 V/um og fås i tykkelser på ca. 1,9 um og opad, så kondensatorspændingsvurderinger op til flere kilovolt er rutinemæssigt opnåelige, med nogle dele endda vurderet til 100 kV. Ved højere spændinger bliver fænomenet med delvis udladning (PD), også kendt som koronaudladning, en faktor. PD er den højspændingsopdeling af mikrovoider i hovedparten af materialet eller i lufthullerne mellem lag af materiale, hvilket forårsager en delvis kortslutning af den samlede isolerende sti. PD (Corona decharge) efterlader et let kulstofspor; Den oprindelige effekt er ubemærket, men kan akkumuleres over tid, indtil en brutto og pludselig nedbrydning af den svækkede, kulstofsporede isolering forekommer. Effekten er beskrevet af Paschen -kurven, vist i figur 5, og har en karakteristisk begyndelse og udryddelsesspænding. Figuren viser to eksempler på feltstyrker. Punkter over Paschen -kurven, A, producerer sandsynligvis en PD -nedbrydning.
Fig. 5 Paschen -kurven og eksempler på elektriske feltstyrker.
For at imødegå effekten er meget højspændingskondensatorer olieimprægneret for at udelukke luft fra laggrænseflader. Nedre spændingstyper har en tendens til at blive harpiks fyldt, hvilket også hjælper med mekanisk robusthed. En anden løsning er at danne seriekondensatorer i enkelte huse, hvilket effektivt reducerer spændingsfaldet over hver til langt under startspændingen. PD er en effekt på grund af elektrisk feltintensitet, så stigende dielektrisk tykkelse for at reducere spændingsgradienten er altid mulig, men øger den samlede størrelse af kondensatoren. Der er kondensatordesign, der kombinerer folier og metallisering for at tilvejebringe et kompromis mellem spidsstrømkapacitet og selvhelbredelse. Metalliseringen kan også klassificeres fra kanten af kondensatoren, så tykkere materiale i kanterne giver bedre strømhåndtering og mere robust afslutning ved lodning eller svejsning, og klassificeringen kan være kontinuerlig eller trappes.
Det er måske nyttigt at tage et skridt tilbage og observere, hvordan det er fordelagtigt at bruge al-elektrolytiske kondensatorer. Et eksempel er i en 90%-effektiv, 1-kW off-line converter med en effektfaktor-korrigeret frontend, der har brug for en 20 ms tur igennem, som vist i figur 6. Det vil typisk have en intern DC-bus med nominel spænding, VN, på 400 V og en drop-out spænding, VD, på 300 V, under hvilken udgangsregulering går tabt.
Bulkkondensatoren C1 leverer energi til at opretholde konstant udgangseffekt i løbet af den specificerede gennemgangstid, når busspændingen falder fra 400 til 300 V efter et strømafbrydelse. 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 bruges, resulterer ligningen i et krævet volumen på ca. 52 cm3 (dvs. 3 ud af 3), f.eks. Hvis den TDK-EPCOS B43508 -serien bruges. I modsætning hertil ville filmkondensatorer være upraktisk store, hvilket kræver måske 15 parallelt ved et samlet volumen på 1.500 cm3 (dvs. 91 i 3), hvis TDK-EPCOS B32678-serien bruges. Forskellen er åbenlyst, men valget ville ændre sig, hvis kondensatoren var nødt til at kontrollere krusningsspændingen på en DC -linje. Tag et lignende eksempel, hvor 400-V-busspændingen er fra et batteri, så holdet er ikke påkrævet. Der er imidlertid et behov for at reducere ringvirkningen til, f.eks. 4 V rod-middelkvadrat (RMS) fra 80 A RMS højfrekvente strømpulser taget af en nedstrøms konverter ved 20 kHz. Dette kan være et elektrisk køretøjsanvendelse, og den krævede kapacitans kan tilnærmes fra C = IRMS/VRIPIPPE.2.π.f = 80/4*2*3,14*20*1000 = 160 UF ved 450 V -vurdering.
Fig. 6 Kondensatoren til en tur igennem (hold op). HVDC: Højspænding DC.
En elektrolytisk ved 180 µF, 450 V kan have en krusende rating på kun ca. 3,5 A RMS ved 60 ° C, inklusive frekvenskorrektion (EPCOS B43508 -serien). For 80 A ville 23 kondensatorer således være påkrævet parallelt og producere en unødvendig 4.140 µF med et samlet volumen på 1.200 cm3 (dvs. 73 i 3). Dette er i overensstemmelse med den til tider citerede 20 Ma/µF Ripple-strøm-rating for elektrolytik. Hvis filmkondensatorer overvejes, er det kun fire parallelt fra EPCOS B32678 Serien giver en 132-A RMS Ripple-strømvurdering i et volumen på 402 cm3 (dvs. 24,5 i 3). Hvis temperaturen er begrænset til fx mindre end 70 ° C omgivende, kan der stadig vælges en mindre sagsstørrelse. Selv hvis vi vælger elektrolytik af andre grunde, kan overskydende kapacitans forårsage andre problemer, såsom at kontrollere energien i Inrush -strømmen. Selvfølgelig, hvis der kunne forekomme kortvarige overspændinger, ville filmkondensatorerne være langt mere robuste i applikationen. Et eksempel på dette ville være i let trækkraft, hvor en intermitterende forbindelse til en catenary forårsager overspænding på DC-Link-forbindelsen.
Dette eksempel er typisk for mange miljøer i dag, såsom i uafbrudt strømforsyningssystemer, vind- og solenergi, svejsning og gitterbundne invertere. Omkostningsforskellene mellem film og AL -elektrolytik kan sammenfattes i tal, der er offentliggjort i 2013 [2]. De typiske omkostninger for en DC-bus fra ensrettet 440 VAC findes i tabel 1.
Andre applikationer er til afkobling og Snubberkredsløb i konvertere eller invertere. Her skal film/foliekonstruktion bruges, hvis størrelsen tillader det, da metaliserede typer kræver specielle design- og fremstillingstrin. Som afkobling placeres kondensatoren på tværs af DC-bussen for at tilvejebringe en lav induktanssti til cirkulerende højfrekvente strømme, typisk 1 µF pr. 100 pr. Skiftet. Uden kondensatoren cirkulerer den aktuelle sløjfer gennem højere induktans, hvilket forårsager kortvarige spændinger (VTR) i henhold til følgende: VTR = -LDI/DT.
Med de nuværende ændringer på 1.000 A/µs, der er mulige, kan kun et par nanohenrier af induktans give betydelige spændinger. Trykt-kredsløb-bordspor kan have en induktans på ca. 1 NH/mm, hvilket giver ca. 1 VTR/mm ca. 1 VTR/mm i denne situation. Det er således vigtigt, at forbindelser er så korte som muligt. For at kontrollere DV/ DT på tværs af switches placeres kondensatoren og en modstand/ diodetetværk parallelt med en IGBT eller MOSFET (figur 7).
Dette bremser ringende, kontrollerer elektromagnetisk interferens (EMI) og forhindrer falske skift på grund af høj
Fig. 7 Kontakten snubbing. Fig. 8 Filmkondensatorerne som EMI -undertrykkelse. Fig. 9 Filmkondensatorerne i Motor-Drive EMC-filtrering.
DV/DT, især i IGBTS. Et udgangspunkt er ofte at gøre snubberkapacitansen omtrent dobbelt så stor som summen af switch -output -kapacitansen og monteringskapacitansen, og modstanden vælges derefter til kritisk at fugtige enhver ringing. Flere optimale designmetoder er formuleret.
Sikkerhedsklassificerede polypropylenkondensatorer bruges ofte på tværs af kraftledninger til at reducere differentiel tilstand EMI (figur 8). Deres evne til at modstå kortvarige overspændinger og selvhel er afgørende. Kondensatorer i disse positioner vurderes som X1 eller X2, hvilket kan modstå henholdsvis 4- og 2,5-kV transienter. De anvendte værdier findes ofte i mikrofaraderne for at opnå overholdelse af typiske elektromagnetiske kompatibilitetsstandarder på høje effektniveauer. Film Y-type kondensatorer kan også bruges i linje-til-jord-positioner til at dæmpe fælles tilstand-støj, hvor CA-pacitanseværdien er begrænset på grund af lækagestrømens overvejelser (figur 8). Y1- og Y2-versioner er tilgængelige for henholdsvis 8- og 5-kV forbigående ratings. Induktioner af lav forbindelse af filmkondensatorer Hjælp også med at holde selvbestandige høje.
En stigende anvendelse til ikke-polariserede kondensatorer er at danne lavpasfiltre med serieinduktorer for at dæmpe højfrekvensharmonik i vekselstrømsudgangen af drev og invertere (figur 9). Polypropylenkondensatorer bruges ofte til deres pålidelighed, høj rippel-strømvurdering og god volumetrisk effektivitet i applikationen, og induktorer og kondensatorer pakkes ofte sammen i et modul. Belastninger som motorer er ofte fjerne fra drivenheden, og filtre bruges til at gøre det muligt for systemer at imødekomme EMC -kravene og reducere stress på kabling og motorer fra overdreven DV/DT -niveauer.
