Den mangfoldige samling af kondensatortyper har ikke ændret sig meget i løbet af de seneste år, men applikationerne har bestemt gjort det. I denne artikel ser vi på, hvordan kondensatorer bruges i kraftelektronik og sammenligner de tilgængelige teknologier. Film kondensatorer viser deres fordele i kommende applikationer som f.eks elektriske køretøjer , alternativ energiomsætning, og invertere i drev . Imidlertid er aluminium (Al) elektrolytik stadig vigtige, når energilagringstæthed er hovedkravet.
Al elektrolytisk eller filmkondensator?
Det er nemt at afvise Al elektrolytik som gårsdagens teknologi, men forskellen i performance mellem dem og filmalternativet er ikke altid så tydelig. Med hensyn til lagret energitæthed, dvs. joule/kubikcentimeter, er de stadig foran standard filmkondensatorer, selvom eksotiske varianter såsom segmenteret højkrystallinsk metalliseret polypropylen er sammenlignelige. Al-elektrolytik bevarer også deres bølgestrømsklassificering ved højere temperaturer bedre end konkurrerende filmkondensatorer. Selv de opfattede levetids- og pålidelighedsproblemer er ikke så væsentlige, når Al-elektrolytika er passende reduceret. Al elektrolytik er stadig meget attraktivt, hvor det kræves, at en jævnstrømsbusspænding gennemstrømmes uden batteriback-up. For eksempel, når omkostningerne er en drivende faktor, er det særligt vanskeligt at forudse, at filmkondensatorer tager over fra bulkkondensatorerne i off-line strømforsyninger.
Film vinder på mange måder
Filmkondensatorer har adskillige væsentlige fordele i forhold til andre kondensatorer: ESR-klassificeringer (ækvivalent seriemodstand) kan være dramatisk lavere, hvilket fører til meget bedre bølgestrømshåndtering. Overspændingsværdier er også overlegne, og måske vigtigst af alt kan filmkondensatorer selvhelbredende
FIG 1 Kondensatorfilmens egenskaber.
FIG 2 Variationen af DF med temperaturen for polypropylenfilm.
Efter stress, hvilket fører til bedre systempålidelighed og levetid. Evnen til selvhelbredelse afhænger dog af stressniveauet, spidsværdierne og gentagelseshastigheden. Derudover er en eventuel katastrofal fiasko stadig mulig på grund af kulstofaflejring og sideskader fra plasmabuen genereret under fejlrydning. Disse egenskaber matcher de moderne anvendelser af strømkonvertering i elektriske køretøjer og alternative energisystemer, hvor der ikke er behov for at holde op med afbrydelser eller mellem linjefrekvens-ripple peaks. Hovedkravet er evnen til at kilde og synke højfrekvente rippelstrømme, der kan nå hundreder, hvis ikke tusinder af ampere, samtidig med at tolerable tab og høj pålidelighed opretholdes. Der er også en bevægelse til højere busspændinger for at reducere ohmske tab ved givne effektniveauer. Dette ville betyde en serieforbindelse af Al elektrolytik med deres iboende maksimale spændingsmærke på cirka 550 V. For at undgå en spændingsubalance kan det være nødvendigt at vælge de dyre kondensatorer med afstemte værdier og bruge spændingsbalanceringsmodstande med tilhørende tab og omkostninger.
Pålidelighedsproblemet er ikke ligetil, selvom elektrolytikken under kontrollerede forhold kan sammenlignes med kraftfilm, hvilket betyder, at de typisk kun vil modstå 20 % af overspændingen, før der opstår skade. Derimod kan filmkondensatorer modstå måske 100 % overspænding i begrænsede perioder. Ved svigt kan elektrolytikken kortslutte og eksplodere og tage en hel række af serie-/parallelle komponenter ned med en farlig elektrolytudledning. Filmkondensatorer kan også selvhelbredende, men systemets pålidelighed under autentiske forhold med lejlighedsvis stress kan være meget forskellig mellem de to typer. Som med alle komponenter kan høje luftfugtighedsniveauer forringe filmkondensatorens ydeevne, og for den bedste pålidelighed bør dette være godt kontrolleret. En anden praktisk differentiator er letheden ved at montere filmkondensatorer - de fås i isolerede, volumetrisk effektive rektangulære bokskabinetter med en række forskellige elektriske tilslutningsmuligheder, fra skrueterminaler til ører, fastoner og samleskinner sammenlignet med de typiske runde metaldåser med elektrolytik. Den ikke-polære dielektriske film giver omvendt-sikker montering og tillader brug i applikationer, hvor der anvendes AC, såsom i inverter-outputfiltrering.
Selvfølgelig er der mange dielektriske filmkondensatortyper tilgængelige, og figur 1 giver et resumé af deres sammenlignende ydeevne [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. tykkelsesenhed. De andre film kan være bedre til temperaturklassificering og kapacitans/volumen, med højere dielektriske konstanter og tyndere filmtilgængelighed, og ved lave spændinger er polyester stadig i almindelig brug. DF'en er særlig vigtig og defineret som ESR/kapacitiv reaktans, og den er normalt angivet ved 1 kHz og 25 °C. En lav DF sammenlignet med andre dielektrika indebærer lavere opvarmning og er en måde at sammenligne tab pr. mikrofarad. DF varierer lidt med frekvens og temperatur, men polypropylen klarer sig bedst. Figur 2 og 3 viser de typiske plots.
Der er to hovedtyper af filmkondensatorkonstruktioner, der bruger folie og aflejret metallisering, som vist i figur 4. Metalfolie, der er ca. 5 nm tyk, bruges typisk mellem dielektriske lag på grund af dets høje spidsstrømsevne, men det gør sig ikke selv -helbred efter vedvarende stress. Metaliseret film dannes ved et vakuum og ved typisk at afsætte Al ved 1.200 °C på filmen til en tykkelse på omkring 20-50 nm med filmens temperatur i området fra –25 til –35 °C,
FIG 3 Variationen af DF med frekvensen for polypropylenfilm.
FIG 4 Filmens kondensatorkonstruktion
selvom zink (Zn) og Al-Zn legeringer også kan anvendes. Denne proces muliggør selvhelbredelse, hvor nedbrud på et hvilket som helst tidspunkt i dielektriket forårsager lokaliseret intens opvarmning, måske op til 6.000 °C, hvilket forårsager dannelse af et plasma. Metalliseringen omkring nedbrydningskanalen fordampes, med den hurtige udvidelse af plasmaet, der slukker udledningen, hvilket isolerer defekten og efterlader kondensatoren fuldt funktionsdygtig. Reduktionen af kapacitansen er minimal, men additiv over tid, hvilket gør den til en nyttig indikator for komponentens aldring.
En almindelig metode til yderligere forbedring af pålideligheden er at segmentere metalliseringen på filmen i områder, måske millioner, med smalle porte, der fører strømmen ind i segmenterne og fungerer som sikringer for store overbelastninger. Indsnævringen af den samlede strømvej til metalliseringen reducerer spidsstrømshåndteringen af komponenten, men den ekstra sikkerhedsmargin, der er indført, tillader, at kondensatoren med fordel kan klassificeres ved højere spændinger.
Moderne polypropylen har en dielektrisk styrke på cirka 650 V/µm og fås i tykkelser på cirka 1,9 µm og opefter, så kondensatorspændingsklassificeringer på op til adskillige kilovolt er rutinemæssigt opnåelige, med nogle dele endda vurderet til 100 kV. Men ved højere spændinger bliver fænomenet partiel udladning (PD), også kendt som koronaudladning, en faktor. PD er højspændingsnedbrydning af mikrohulrum i materialemassen eller i luftspalterne mellem materialelag, hvilket forårsager en delvis kortslutning af den samlede isoleringsvej. PD (koronaudladning) efterlader et lille kulstofspor; den indledende effekt er umærkelig, men kan akkumuleres over tid, indtil der opstår en grov og pludselig nedbrydning af den svækkede, kulstofsporede isolering. Effekten er beskrevet af Paschen-kurven, vist i figur 5, og har en karakteristisk start- og ekstinktionsspænding. Figuren viser to eksempler på feltstyrker. Punkter over Paschen-kurven, A, vil sandsynligvis producere en PD-nedbrydning.
FIG 5 Paschen-kurven og eksempler på elektriske feltstyrker.
For at modvirke effekten er kondensatorer med meget høj spænding olieimprægneret for at udelukke luft fra laggrænseflader. Typer med lavere spænding har en tendens til at være harpiksfyldte, hvilket også hjælper med mekanisk robusthed. En anden løsning er at danne seriekondensatorer i enkelthuse, hvilket effektivt reducerer spændingsfaldet over hver til et godt stykke under startspændingen. PD er en effekt på grund af elektrisk feltintensitet, så det er altid muligt at øge dielektrisk tykkelse for at mindske spændingsgradienten, men øger den samlede størrelse af kondensatoren. Der er kondensatordesign, der kombinerer folier og metallisering for at give et kompromis mellem spidsstrømskapacitet og selvhelbredende. Metalliseringen kan også graderes fra kanten af kondensatoren, så tykkere materiale ved kanterne giver bedre strømhåndtering og mere robust afslutning ved lodning eller svejsning, og sorteringen kan være kontinuerlig eller trinvis.
Det er måske nyttigt at tage et skridt tilbage og observere, hvordan det er fordelagtigt at bruge Al-elektrolytiske kondensatorer. Et eksempel er en 90 % effektiv, 1 kW off-line konverter med en effektfaktorkorrigeret frontend, der skal køre igennem 20 ms, som vist i figur 6. Den vil typisk have en intern jævnstrømsbus med nominel spænding, Vn, på 400 V og en drop-out-spænding, Vd, på 300 V, under hvilken udgangsreguleringen går tabt.
Bulkkondensatoren C1 leverer energi for at opretholde konstant udgangseffekt i den specificerede gennemløbstid, da busspændingen falder fra 400 til 300 V efter en udfald. Matematisk er Po t/h =1/2 C(Vn²-Vd²) eller C=2*1000*0,02/0,9*(400²-300²) =634nF ved 450 V-klassificering.
Hvis Al-elektrolytiske kondensatorer bruges, resulterer ligningen i et påkrævet volumen på ca. 52 cm3 (dvs. 3 i 3 ), f.eks. hvis TDK-EPCOS B43508-serien er brugt. I modsætning hertil ville filmkondensatorer være upraktisk store og kræve måske 15 parallelt ved et samlet volumen på 1.500 cm3 (dvs. 91 i 3 ), hvis TDK-EPCOS B32678-serien anvendes. Forskellen er indlysende, men valget ville ændre sig, hvis kondensatoren skulle styre krusningsspændingen på en jævnstrømslinje. Tag et lignende eksempel, hvor 400-V busspændingen er fra et batteri, så hold op er ikke påkrævet. Der er dog behov for at reducere ripple-effekten til f.eks. 4 V root mean squared (rms) fra 80 A rms højfrekvente strømimpulser taget af en downstream-konverter ved 20 kHz. Dette kunne være en elbilapplikation, og den nødvendige kapacitans kan tilnærmes fra C=irms/Vrippe.2.Π.f=80/4*2*3,14*20*1000=160 uF ved 450 V-klassificering.
FIG 6 Kondensatoren til en tur igennem (hold op). HVDC: højspændingsdc.
En elektrolytikum ved 180 µF, 450 V kan have en krusningsstrøm på kun ca. 3,5 A rms ved 60 °C, inklusive frekvenskorrektion (EPCOS B43508-serien). For 80 A kræves der således 23 kondensatorer parallelt, hvilket giver unødvendige 4.140 µF med et samlet volumen på 1.200 cm3 (dvs. 73 i 3 ). Dette er i overensstemmelse med den undertiden angivne 20 mA/µF bølgestrømsklassificering for elektrolytik. Hvis film kondensatorer overvejes, nu kun fire parallelt fra EPCOS B32678 serien giver en 132-A rms rippelstrøm i et volumen på 402 cm3 (dvs. 24,5 i 3 ). Hvis temperaturen er begrænset til f.eks. mindre end 70 °C omgivelsestemperatur, kan en mindre kassestørrelse stadig vælges. Selv hvis vi vælger elektrolytik på andre grunde, kan den overskydende kapacitans forårsage andre problemer, såsom at kontrollere energien i startstrømmen. Selvfølgelig, hvis transiente overspændinger kunne forekomme, ville filmkondensatorerne være langt mere robuste i applikationen. Et eksempel på dette vil være i let trækkraft, hvor en intermitterende forbindelse til en køreledning forårsager overspænding på DC-link forbindelsen.
Dette eksempel er typisk for mange miljøer i dag, såsom i uafbrydelige strømforsyningssystemer, vind- og solenergi, svejsning og nettilsluttede invertere. Omkostningsforskellene mellem film og Al-elektrolytik kan opsummeres i tal offentliggjort i 2013 [2]. De typiske omkostninger for en DC-bus fra ensrettet 440 Vac kan findes i tabel 1.
Andre applikationer er til afkobling og snubber kredsløb i omformere eller invertere. Her bør der anvendes film/foliekonstruktion, hvis størrelsen tillader det, da metaliserede typer kræver specielle design- og fremstillingstrin. Som afkobling placeres kondensatoren på tværs af DC-bussen for at give en lavinduktansvej til cirkulerende højfrekvente strømme, typisk 1 µF pr. 100 A koblet. Uden kondensatoren cirkulerer strømmen gennem sløjfer med højere induktans, hvilket forårsager transientspændinger (Vtr) i henhold til følgende: Vtr =-Ldi/dt.
Med strømændringer på 1.000 A/µs er mulige, kan blot nogle få nanohenries af induktans producere betydelige spændinger. Trykte kredsløbsspor kan have en induktans på omkring 1 nH/mm, hvilket giver ca. 1 Vtr/mm i denne situation. Det er derfor vigtigt, at forbindelserne er så korte som muligt. For at styre dV/dt på tværs af switches placeres kondensatoren og et modstands-/diodenetværk parallelt med en IGBT eller MOSFET (figur 7).
Dette sænker ringningen, styrer elektromagnetisk interferens (EMI) og forhindrer falsk skift på grund af høj
FIG 7 Kontakten snupper. FIG 8 Filmkondensatorerne som EMI-undertrykkelse. FIG 9 Filmkondensatorerne i motordrevet EMC-filtrering.
dV/dt, især i IGBT'er. Et udgangspunkt er ofte at lave snubberkapacitansen omtrent det dobbelte af summen af switchens udgangskapacitet og monteringskapacitans, og modstanden vælges derefter til kritisk at dæmpe enhver ringning. Mere optimale designtilgange er blevet formuleret.
Sikkerhedsklassificerede polypropylenkondensatorer bruges ofte på tværs af elledninger for at reducere differentialtilstand EMI (Figur 8). Deres evne til at modstå forbigående overspændinger og selvhelbredelse er afgørende. Kondensatorer i disse positioner er klassificeret som X1 eller X2, som kan modstå henholdsvis 4- og 2,5 kV transienter. De anvendte værdier er ofte i mikrofaraderne for at opnå overensstemmelse med typiske standarder for elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) ved høje effektniveauer. Film Y-type kondensatorer kan også bruges i linie-til-jord positioner til at dæmpe common mode støj, hvor kapacitansværdien er begrænset på grund af lækstrømsovervejelser (figur 8). Y1- og Y2-versioner er tilgængelige for henholdsvis 8- og 5-kV transientklassificeringer. Lav forbindelsesinduktans af filmkondensatorer hjælper også med at holde selvresonansen høj.
En voksende anvendelse for ikke-polariserede kondensatorer er at danne lavpasfiltre med serieinduktorer for at dæmpe højfrekvente harmoniske i AC-udgangen af drev og invertere (Figur 9). Polypropylenkondensatorer bruges ofte på grund af deres pålidelighed, høje bølgestrømsklassificering og gode volumetriske effektivitet i applikationen, og induktorerne og kondensatorerne er ofte pakket sammen i et modul. Belastninger såsom motorer er ofte langt fra drivenheden, og filtre bruges til at gøre det muligt for systemer at opfylde EMC-kravene og reducere belastningen på kabler og motorer fra for høje dV/dt-niveauer.
