A kondenzátortípusok változatos gyűjteménye az utóbbi években nem változott sokat, de az alkalmazásoknak minden bizonnyal megvan. Ebben a cikkben megvizsgáljuk, hogy a kondenzátorokat hogyan használják az elektronikában, és összehasonlítjuk a rendelkezésre álló technológiákat. Filmkondenzátorok megmutatják előnyeiket a közelgő alkalmazásokban, mint például elektromos járművek , Alter-Native Energy Power átalakítás és Inverterek meghajtókban - Az alumínium (AL) elektrolitika azonban továbbra is fontos, ha az energiatároló sűrűség a fő követelmény.
Al elektrolitikus vagy filmkondenzátor?
Könnyű elbocsátani Al elektrolitika Mint a tegnapi technológia, de a teljesítmény megkülönböztetése és a film alternatívája nem mindig olyan világos. A tárolt energia sűrűsége, azaz a Joules/Cubic centiméter szempontjából még mindig megelőzik a standard filmkondenzátorokat, bár egzotikus variánsok, például szegmentált nagy kristályok fémezett polipropilén összehasonlíthatók. Ezenkívül az AL elektrolitikumok magasabb hőmérsékleten tartják a fodrozódás-áram besorolását, mint a versengő filmkondenzátorok. Még az észlelt élet- és megbízhatósági kérdések sem olyan szignifikánsak, ha az AL elektrolitikát megfelelő módon levezetik. Az AL elektrolitikumok továbbra is nagyon vonzóak, ha az DC busz feszültségének átlépése az áramkimaradáson akkumulátor biztonsági mentése nélkül szükséges. Például, ha a költség vezetési tényező, akkor különösen nehéz előre jelezni, hogy a filmkondenzátorok átveszik az áruk kondenzátorait az árucikkek offline tápegységeiben.
A film sok szempontból nyer
A filmkondenzátorok számos jelentős előnyt jelentenek más kondenzátorokkal szemben: az ekvivalens sorozat ellenállás (ESR) besorolása drámai módon alacsonyabb lehet, ami sokkal jobb ripplási kezelést eredményez. A túlfeszültség-feszültség besorolása szintén jobb, és talán a legjelentősebben a filmkondenzátorok öngyógyíthatnak
1. ábra A kondenzátor filmjellemzői.
2. ábra A DF variációja a polipropilén film hőmérsékletével.
Stressz után, ami jobb rendszer megbízhatóságához és élettartamához vezet. Az öngyógyulás képessége azonban a stressz szintjétől, a csúcsteljesítménytől és az ismétlési aránytól függ. Ezenkívül az esetleges katasztrofális meghibásodás továbbra is lehetséges a szénlerakódás és a hibás tisztítás során előállított plazma ív károsodásának köszönhetően. Ezek a jellemzők megegyeznek az elektromos járművek és az alternatív energiarendszerek teljesítménykonverziójának modern alkalmazásaival, ahol nincs szükség az áramkimaradásokkal vagy a vonal-frekvenciájú fodrozódási csúcsok között. A fő követelmény a magas frekvenciájú fodrozódási áramok beszerzésének és elsüllyedésének képessége, amelyek több száz, ha nem több ezer AMP-t érhetnek el, miközben megtartják az tolerálható veszteségeket és a nagy megbízhatóságot. A nagyobb buszfeszültség felé mozog az ohmikus veszteségek csökkentése érdekében az adott teljesítményszinten. Ez azt jelentené, hogy az AL elektrolitika sorozat összekapcsolása körülbelül 550 V -os maximális feszültség -besorolást jelent.
A megbízhatóság kérdése nem egyértelmű, bár ellenőrzött körülmények között az elektrolitika összehasonlítható a teljesítményfilmkel, ami azt jelenti, hogy általában a túlfeszültségnek csak 20% -át fogják ellenállni, mielőtt a károk bekövetkeznének. Ezzel szemben a filmkondenzátorok korlátozott ideig ellenállhatnak a túlfeszültség esetleges 100% -ának. Hiba esetén az elektrolitika rövidzárlatot és felrobbanhat, egy sor sorozat/párhuzamos alkatrészt veszélyes elektrolit-ürítéssel. A filmkondenzátorok öngyógyíthatnak is, de a rendszer megbízhatósága az alkalmi stressz hiteles körülmények között nagyon különbözhet a két típus között. Mint minden összetevőnél, a magas páratartalom szintje ronthatja a filmkondenzátor teljesítményét, és a legjobb megbízhatóság érdekében ezt jól ellenőrizni kell. Egy másik gyakorlati differenciáló a filmkondenzátorok felszerelése - a szigetelt, térfogatilag hatékony téglalap alakú dobozházakban kaphatók, különféle elektromos csatlakozási lehetőségekkel, a csavaros csatlakozóktól a fülekig, a buszsávokig és a buszrudakig, összehasonlítva a tipikus kerek fémdobozokkal az elektrolitikumokhoz. A nem poláros dielektromos film fordítottálló szerelést biztosít, és lehetővé teszi a felhasználást olyan alkalmazásokban, ahol AC alkalmazást alkalmaznak, például az inverter-output szűrésben.
Természetesen sok filmkondenzátor dielektromos típusú, az 1. ábra összefoglalja összehasonlító teljesítményüket [1]. A polipropilénfilm az általános győztes, amikor a veszteségek és a stressz alatti megbízhatóság a fő szempont, mivel az alacsony DF és az egység vastagságonkénti magas dielektromos bontás miatt. A többi film jobb lehet a hőmérséklet -besoroláshoz és a kapacitáshoz/térfogathoz, magasabb dielektromos állandókkal és vékonyabb film rendelkezésre állásával, és alacsony feszültség esetén a poliészter továbbra is közös. A DF különösen fontos, és ESR/kapacitív reaktanciaként definiálva, és általában 1 kHz -en és 25 ° C -on van meghatározva. Az alacsony DF a többi dielektrikumhoz képest alacsonyabb fűtést jelent, és ez a módja annak, hogy összehasonlítsák a mikrofarádonkénti veszteségeket. A DF kissé változik a frekvenciától és a hőmérséklettől, de a polipropilén a legjobban teljesít. A 2. és 3. ábra a tipikus parcellákat mutatja.
A filmkondenzátor-konstrukcióknak két fő típusa van, amelyek fóliát és lerakódott fémezést használnak, amint azt a 4. ábra mutatja. A fémfóliát, amely körülbelül 5 nm vastag, általában a dielektromos rétegek között használják nagy csúcsteljesítményű képessége érdekében, de a tartós stressz után nem öngyógyulás. A fémezett fóliát vákuummal képezik, és általában az AL -t 1200 ° C -on a filmre helyezik el, körülbelül 20–50 nm vastagsággal, a film hőmérséklete –25 és –35 ° C között mozog,
3. ábra A DF variációja a polipropilén film frekvenciájával.
4. ábra A filmkondenzátor felépítése
Bár a cink (Zn) és az Al-Zn ötvözetek is használhatók. Ez a folyamat lehetővé teszi az öngyógyulást, ahol a dielektromos bármely ponton a bontás lokalizált intenzív fűtést okoz, talán 6000 ° C-ig, ami a plazmát okozza. A bontási csatorna körüli metalizáció elpárolog, a plazma gyors kibővítésével a kisülést elárasztják, amely elkülöníti a hibát, és a kondenzátor teljesen működőképessé teszi. A kapacitás csökkentése minimális, de additív az idő múlásával, ezáltal hasznos jelzővé teszi az összetevő öregedését.
A további megbízhatóság javításának általános módszere a film fémizálásának területekre, esetleg milliókra történő szegmentálása, a keskeny kapuk az áramot a szegmensekbe táplálják, és biztosítékként szolgálnak a bruttó túlterheléshez. A fémizáláshoz fűződő teljes áram útjának szűkítése csökkenti az alkatrész csúcsáram -kezelését, de a bevezetett extra biztonsági margó lehetővé teszi a kondenzátor számára, hogy magasabb feszültséggel hasznos legyen.
A modern polipropilén dielektromos szilárdsága körülbelül 650 V/µm, és körülbelül 1,9 um és felfelé vastagságú vastagságban kapható, így a kondenzátor feszültségének minősítése több kilovolttal rutinszerűen elérhető, néhány alkatrészt akár 100 kV -ra is besorolva. Nagyobb feszültség esetén azonban a részleges kisülés (PD) jelensége, más néven Corona -kisülés, tényezővé válik. A PD a mikrovoidok nagyfeszültségű bomlása az anyag nagy részében vagy az anyagrétegek közötti légrésekben, ami a teljes szigetelő út részleges rövidzárlatát okozza. A PD (Corona kisülés) enyhe szén nyomkövetést hagy; A kezdeti hatás észrevétlen, de az idő múlásával felhalmozódhat, amíg a gyengült, szén nyomon követett szigetelés durva és hirtelen lebontása meg nem történik. A hatást a Paschen -görbe írja le, az 5. ábrán látható, és jellegzetes kezdeti és kihalási feszültséggel rendelkezik. Az ábra két példa mező erősségét mutatja. A Paschen -görbe feletti pontok valószínűleg PD bontást eredményeznek.
5. ábra A Paschen görbe és példa az elektromos terepi erősségek.
A hatás leküzdése érdekében a nagyon nagy feszültségű kondenzátorok olajat impregnáltak, hogy kizárják a levegőt a réteg interfészekből. Az alacsonyabb feszültségű típusok általában gyanta, ami szintén elősegíti a mechanikai robusztusságot. Egy másik megoldás az egy házban lévő sorozatkondenzátorok kialakítása, amelyek hatékonyan csökkentik a feszültségcsökkenést mindegyikre, jóval a kezdeti feszültség alatt. A PD az elektromos mező intenzitásának következménye, így a dielektromos vastagság növelése a feszültséggradiens csökkentése érdekében mindig lehetséges, de növeli a kondenzátor teljes méretét. Vannak olyan kondenzátor-tervek, amelyek kombinálják a fóliákat és a metalizációt, hogy kompromisszumot biztosítsanak a csúcsáram-képesség és az öngyógyulás között. A metalizációt a kondenzátor széléről is osztályozhatjuk, így a széleken vastagabb anyag jobb áramkezelést és robusztusabb megszüntetést biztosít forrasztással vagy hegesztéssel, és a besorolás folyamatos vagy léphet.
Talán hasznos, ha egy lépést hátráltat, és megfigyeljük, hogy az al-elektrolitikus kondenzátorok használata előnyös. Az egyik példa egy 90%-os, 1 kW-os offline konverterben, amelynek teljesítmény-tényezővel korrigált elülső része van, és 20 ms-os átutazást igényel, amint az a 6. ábrán látható. Ez általában egy belső egyenáramú busz lesz, amelynek nominális feszültsége, VN, 400 V, és egy 300 V-os vd-es feszültség, amely alatt a kimeneti szabályozás elveszik.
A C1 ömlesztett kondenzátor energiát szolgáltat az állandó kimeneti energia fenntartásához a megadott átmeneti idő alatt, mivel a busz feszültsége 400-ról 300 V-ra csökken. Matematikailag, po t/h = 1/2 c (vn²-vd²) vagy c = 2*1000*0,02/0,9*(400²-300²) = 634 nf 450 V-os besorolásnál.
Ha Al-elektrolitikus kondenzátorok használják, akkor az egyenlet a szükséges térfogathoz durván 52 cm3 (azaz 3 -ban), például ha a TDK-EPCOS A B43508 sorozatot használják. Ezzel szemben a filmkondenzátorok gyakorlatilag nagyok lennének, és esetleg 15 párhuzamosan igényelnek 1500 cm3 (azaz 91-ben) összesen 15-et, ha a TDK-EPCOS B32678 sorozatot használják. A különbség nyilvánvaló, de a választás megváltozik, ha a kondenzátornak a DC vonalon a hullámos feszültség szabályozásához szükséges. Vegyünk egy hasonló példát, ahol a 400 V-os buszfeszültség akkumulátorból származik, tehát a tartás nem szükséges. Ugyanakkor csökkenteni kell a hullámos hatást, például 4 V gyökér átlag négyzet (RMS) -re 80 A RMS magas frekvenciájú áramimpulzusokból, amelyeket egy downstream konverter 20 kHz-en vett. Ez lehet egy elektromos jármű alkalmazás, és a szükséges kapacitás közelíthető a C = IRMS/VRIPPE.2.F = 80/4*2*3.14*20*1000 = 160 UF -től 450 V -os besoroláson.
6. ábra A kondenzátor egy átutazáshoz (tartsa meg). HVDC: Nagyfeszültségű DC.
A 180 µF, 450 V -os elektrolitikus értéke csak durván 3,5 A RMS -t lehet 60 ° C -on, beleértve a frekvencia -korrekciót (EPCOS B43508 sorozat). Így 80 A esetén 23 kondenzátorra lenne szükség párhuzamosan, és felesleges 4140 µF -et eredményez, teljes térfogata 1200 cm3 (azaz 73 -ban). Ez megfelel a néha idézett 20 mA/µF fodrozódás-áramú elektrolitikának. Ha a filmkondenzátorokat most csak négy párhuzamosan veszi figyelembe a EPCOS B32678 A sorozat adjon 132 A-os RMS-rms-áramot, 402 cm3 térfogatban (azaz 24,5-ben). Ha a hőmérsékletre korlátozódik, például kevesebb, mint 70 ° C -os környezeti, akkor egy kisebb esetméret még mindig választható. Még akkor is, ha más okokból választunk elektrolitikát, a túlzott kapacitás más problémákat okozhat, például az energia ellenőrzését az inrush -áramban. Természetesen, ha átmeneti túlfeszültség léphet fel, akkor a filmkondenzátorok sokkal robusztusabbak lennének az alkalmazásban. Erre példa a könnyű tapadás esetén, ahol a macskaeleshöz való szakaszos kapcsolat túlfeszültséget okoz a DC-link csatlakozáson.
Ez a példa manapság sok környezetre jellemző, például szünetmentes tápegységekben, a szél- és napenergiával, a hegesztésben és a rácshoz kötött inverterekben. A film és az AL elektrolitika közötti költségkülönbségek összefoglalhatók a 2013 -ban közzétett adatokban [2]. A 440 VAC DC-BUS tipikus költségei az 1. táblázatban találhatók.
Egyéb alkalmazások a leválasztáshoz és a szúró áramkörök konverterekben vagy inverterekben. Itt a film/fóliaszerkezetet akkor kell használni, ha a méret megengedi, mivel a fémezett típusok speciális tervezési és gyártási lépéseket igényelnek. A leválasztásként a kondenzátort az egyenáramú buszon helyezik el, hogy alacsony induktivitású utat biztosítsanak a magas frekvenciájú áramok keringéséhez, jellemzően 1 µF / 100 A váltott. A kondenzátor nélkül az áram magasabb induktív hurkokon keresztül kering, és átmeneti feszültségeket (VTR) okoz a következők szerint: vtr = -ldi/dt.
Mivel a jelenlegi 1000 A/µs változása lehetséges, csak néhány induktivitás nanohenrium képes jelentős feszültséget eredményezni. A nyomtatott áramköri nyomkövek induktivitással kb. 1 nh/mm lehet, így ebben a helyzetben nagyjából 1 VTR/mm. Ezért fontos, hogy a kapcsolatok a lehető legrövidebbek legyenek. A DV/ DT kapcsolókon keresztüli vezérléséhez a kondenzátor és az ellenállás/ dióda hálózat párhuzamosan van elhelyezve IGBT vagy MOSFET (7. ábra).
Ez lelassítja a csengetést, szabályozza az elektromágneses interferenciát (EMI), és megakadályozza a hamis váltást a magas miatt
7. ábra A kapcsoló becsapódása. 8. ábra A filmkondenzátorok EMI -szuppresszióként. 9. ábra A filmkondenzátorok a motoros meghajtású EMC szűrésben.
DV/DT, különösen az IGBT -kben. A kiindulási pont gyakran a Snubber kapacitása nagyjából kétszer a kapcsoló kimeneti kapacitásának és a rögzítő kapacitásnak a kétszerese, és ezután az ellenállást úgy választják meg, hogy kritikusan nedves legyen a csengetéshez. Az optimális tervezési megközelítéseket megfogalmazták.
A biztonsági besorolású polipropilénkondenzátorokat gyakran használják az elektromos vezetékeken az EMI differenciál üzemmódjának csökkentésére (8. ábra). Alapvető fontosságú az a képességük, hogy ellenálljanak az átmeneti túlfeszültségnek és az öngyógyításnak. Az ilyen helyzetben lévő kondenzátorok X1 vagy X2 néven vannak besorolva, amelyek ellenállnak a 4- és 2,5 kV-os tranzienseknek. A felhasznált értékeket gyakran a mikrofarádokban találják meg, hogy megfeleljenek a tipikus elektromágneses kompatibilitási (EMC) szabványoknak nagy teljesítményszinten. A film Y-típusú kondenzátorok vonal-földi pozíciókban is használhatók a közös üzemmód zajának csökkentésére, ahol a CA pacitancia értéke korlátozott a szivárgási áram megfontolásai miatt (8. ábra). Az Y1 és Y2 verziók 8- és 5 kV-os átmeneti besorolásokhoz kaphatók. A filmkondenzátorok alacsony csatlakozási induktivitása Segít az önmeghatározások magas szinten tartásában.
A nem polarizált kondenzátorok egyre növekvő alkalmazása az alacsony áteresztőképességű szűrők kialakítása sorozat induktorokkal, hogy csökkentsék a nagyfrekvenciás harmonikusokat a meghajtók és inverterek AC kimenetében (9. ábra). A polipropilénkondenzátorokat gyakran használják megbízhatóságukhoz, nagy fodrozódási állapotukhoz és jó térfogat hatékonysághoz az alkalmazásban, és az induktorok és a kondenzátorok gyakran egy modulba vannak csomagolva. Az olyan terhelések, mint a motorok, gyakran távol vannak a meghajtótól, és a szűrőket arra használják, hogy lehetővé tegyék a rendszerek számára, hogy megfeleljenek az EMC követelményeinek, és csökkentsék a kábelezés stresszét és a motorokat a túlzott DV/DT szintekről.
