A kondenzátortípusok változatos gyűjteménye nem sokat változott az elmúlt években, de az alkalmazások minden bizonnyal igen. Ebben a cikkben megvizsgáljuk, hogyan használják a kondenzátorokat a teljesítményelektronikában, és összehasonlítjuk a rendelkezésre álló technológiákat. Film kondenzátorok bemutatják előnyeiket a következő alkalmazásokban, mint pl elektromos járművek , alternatív energia teljesítmény átalakítás, és inverterek a hajtásokban . Az alumínium (Al) elektrolitok azonban továbbra is fontosak, amikor az energiatárolási sűrűség a fő követelmény.
Al elektrolit vagy filmkondenzátor?
Könnyű elvetni Al elektrolit mint a tegnapi technológia, de a teljesítménybeli különbség köztük és a filmalternatíva között nem mindig olyan egyértelmű. A tárolt energiasűrűség, azaz joule/köbcentiméter tekintetében még mindig megelőzik a szabványos filmkondenzátorokat, bár az egzotikus változatok, például a szegmentált magaskristályos fémezett polipropilén összehasonlíthatóak. Ezenkívül az Al elektrolitok magasabb hőmérsékleten is jobban megtartják hullámzó áramukat, mint a konkurens filmkondenzátorok. Még az észlelt élettartam és megbízhatósági problémák sem olyan jelentősek, ha az Al elektrolitokat megfelelően csökkentik. Az alumínium elektrolitok még mindig nagyon vonzóak, ha az egyenáramú busz feszültségének átvezetésére van szükség áramkimaradás esetén akkumulátoros tartalék nélkül. Például, amikor a költség a hajtóerő, különösen nehéz megjósolni, hogy a filmkondenzátorok átveszik az ömlesztett kondenzátorok helyét az off-line tápegységekben.
A film sokféleképpen nyer
A filmkondenzátorok számos jelentős előnnyel rendelkeznek a többi kondenzátorhoz képest: az ekvivalens soros ellenállás (ESR) értéke drámaian alacsonyabb lehet, ami sokkal jobb hullámos áramkezelést eredményez. A túlfeszültség-értékek szintén jobbak, és ami talán a legjelentősebb, a filmkondenzátorok öngyógyulhatnak
1. ábra A kondenzátor film jellemzői.
2. ÁBRA A DF változása a hőmérséklettől polipropilén fólia esetén.
Stressz után jobb rendszermegbízhatósághoz és élettartamhoz vezet. Az öngyógyítás képessége azonban a stresszszinttől, a csúcsértékektől és az ismétlési gyakoriságtól függ. Ezen túlmenően, esetleges katasztrofális meghibásodás továbbra is lehetséges a szénlerakódás és a hibaelhárítás során keletkező plazmaív járulékos károsodása miatt. Ezek a jellemzők megfelelnek az elektromos járművek és az alternatív energiarendszerek teljesítményátalakításának modern alkalmazásainak, ahol nincs szükség leállásokra vagy a vonal-frekvencia hullámzási csúcsaira. A fő követelmény a nagyfrekvenciás hullámos áramok forrásának és elnyelésének képessége, amely elérheti a több száz, ha nem több ezer ampert, miközben fenntartja az elviselhető veszteségeket és a nagy megbízhatóságot. Van egy elmozdulás is a magasabb buszfeszültségek felé, hogy csökkentsék az ohmos veszteségeket adott teljesítményszinteken. Ez az Al-elektrolitikumok soros csatlakoztatását jelentené, a benne rejlő maximális névleges feszültség körülbelül 550 V. A feszültségkiegyensúlyozatlanság elkerülése érdekében szükség lehet a drága kondenzátorok kiválasztására, amelyek értéke megegyezik, és feszültségkiegyenlítő ellenállásokat kell használni a kapcsolódó veszteségekkel és költségekkel együtt.
A megbízhatóság kérdése nem egyértelmű, bár ellenőrzött körülmények között az elektrolitok összehasonlíthatók a teljesítményfóliával, ami azt jelenti, hogy általában csak a túlfeszültség 20%-át viselik el a károsodás előtt. Ezzel szemben a filmkondenzátorok korlátozott ideig talán 100%-ban ellenállnak a túlfeszültségnek. Meghibásodás esetén az elektrolitok rövidre zárhatnak és felrobbanhatnak, és soros/párhuzamos alkatrészek egész sorát veszíthetik el veszélyes elektrolitkisüléssel. A fóliakondenzátorok öngyógyulhatnak is, de a rendszer megbízhatósága az alkalmi igénybevétel autentikus körülményei között nagyon eltérő lehet a két típus között. Mint minden alkatrész esetében, a magas páratartalom ronthatja a fóliakondenzátor teljesítményét, és a legjobb megbízhatóság érdekében ezt jól szabályozni kell. Egy másik praktikus megkülönböztető tényező a fóliakondenzátorok egyszerű felszerelése – szigetelt, térfogatilag hatékony, négyszögletes dobozos házakban kaphatók, különféle elektromos csatlakozási lehetőségekkel, a csavaros kapcsoktól a fülekig, rögzítőkig és sínekig, összehasonlítva a tipikus kerek fémdobozokkal. elektrolitok. A nem poláris dielektromos fólia fordított irányú rögzítést biztosít, és lehetővé teszi a használatát olyan alkalmazásokban, ahol váltakozó áramot alkalmaznak, mint például az inverter kimeneti szűrésében.
Természetesen számos filmkondenzátor-dielektromos típus létezik, és az 1. ábra összefoglalja ezek összehasonlító teljesítményét [1]. A polipropilén fólia az összességében nyerő, ha a veszteségek és a feszültség alatti megbízhatóság a fő szempont az alacsony DF és a vastagságegységenkénti nagy dielektromos lebomlás miatt. A többi fólia jobbak lehetnek a hőmérséklet és a kapacitás/térfogat szempontjából, magasabb dielektromos állandókkal és vékonyabb fóliával, és alacsony feszültségen a poliésztert továbbra is általánosan használják. A DF különösen fontos, és ESR/kapacitív reaktanciaként határozzák meg, és általában 1 kHz-en és 25 °C-on adják meg. Az alacsony DF más dielektrikumokhoz képest alacsonyabb fűtést jelent, és ez egy módja a mikrofaradonkénti veszteségek összehasonlításának. A DF kissé változik a gyakoriság és a hőmérséklet függvényében, de a polipropilén teljesít a legjobban. A 2. és 3. ábra a tipikus ábrákat mutatja be.
A fóliát és leválasztott fémezést használó fóliakondenzátor-konstrukcióknak két fő típusa van, amint az a 4. ábrán látható. A körülbelül 5 nm vastag fémfóliát jellemzően a dielektromos rétegek között alkalmazzák annak nagy csúcsáram-képessége miatt, de ez nem önműködik. - meggyógyul az elviselt stressz után. A fémezett filmet vákuummal alakítják ki, és általában 1200 °C-on Al-t helyeznek fel a filmre nagyjából 20–50 nm vastagságig, a film hőmérséklete –25 és –35 °C között van,
3. ÁBRA A DF változása a frekvenciával polipropilén fólia esetén.
4. ÁBRA A film kondenzátor felépítése
bár cink (Zn) és Al-Zn ötvözetek is használhatók. Ez a folyamat lehetővé teszi az öngyógyítást, ahol a dielektrikum bármely pontján bekövetkező meghibásodások helyi intenzív felmelegedést okoznak, akár 6000 °C-ig, ami plazma képződését okozza. Az áttörési csatorna körüli fémezés elpárolog, a plazma gyors tágulása kioltja a kisülést, ami izolálja a hibát, és teljesen működőképessé teszi a kondenzátort. A kapacitás csökkenése minimális, de idővel additív, így hasznos mutatója az alkatrész öregedésének.
A megbízhatóság további növelésének elterjedt módszere a fólia fémezésének felosztása több, esetleg milliónyi területre, keskeny kapukkal, amelyek az áramot a szegmensekbe táplálják, és biztosítékként működnek a nagy túlterhelések esetén. A fémezésig tartó teljes áramút szűkítése ugyan csökkenti az alkatrész csúcsáram-kezelését, de a bevezetett extra biztonsági ráhagyás lehetővé teszi, hogy a kondenzátort nagyobb feszültségeken is hasznosan lehessen minősíteni.
A modern polipropilén dielektromos szilárdsága hozzávetőlegesen 650 V/µm, és nagyjából 1,9 µm-es vastagságban kapható, így rutinszerűen elérhető a kondenzátorok névleges feszültsége akár több kilovoltig, egyes részei pedig 100 kV-ra is besorolhatók. Magasabb feszültségeknél azonban tényezővé válik a részleges kisülés (PD) jelensége, más néven koronakisülés. A PD a mikroüregek nagyfeszültségű felbomlása az anyag nagy részében vagy az anyagrétegek közötti légrésekben, ami részleges rövidzárlatot okoz a teljes szigetelőútban. A PD (koronakisülés) enyhe szénnyomot hagy maga után; a kezdeti hatás észrevehetetlen, de idővel felhalmozódhat, amíg a meggyengült, szénnyomos szigetelés durva és hirtelen tönkremegy. A hatást az 5. ábrán látható Paschen-görbe írja le, és jellegzetes kezdési és kioltási feszültsége van. Az ábrán két példa a térerősségre. Az A Paschen-görbe feletti pontok valószínűleg PD bontást okoznak.
5. ÁBRA A Paschen-görbe és az elektromos térerősségek példája.
A hatás ellensúlyozására a nagyon nagy feszültségű kondenzátorokat olajjal impregnálják, hogy kizárják a levegőt a réteg interfészekből. Az alacsonyabb feszültségű típusok általában gyantával vannak töltve, ami szintén hozzájárul a mechanikai robusztussághoz. Egy másik megoldás az, hogy soros kondenzátorokat alakítanak ki egyedi házakban, hatékonyan csökkentve a feszültségesést mindegyiknél jóval a kezdőfeszültség alá. A PD az elektromos tér intenzitásából eredő hatás, így a dielektromos vastagság növelése a feszültséggradiens csökkentése érdekében mindig lehetséges, de növeli a kondenzátor teljes méretét. Vannak olyan kondenzátor-konstrukciók, amelyek a fóliákat és a fémezést kombinálják, hogy kompromisszumot biztosítsanak a csúcsáram-képesség és az öngyógyulás között. A fémezés a kondenzátor szélétől is osztályozható, így a széleken vastagabb anyag jobb áramkezelést és robusztusabb lezárást biztosít forrasztással vagy hegesztéssel, az osztályozás pedig folyamatos vagy lépcsős lehet.
Talán hasznos egy lépést hátralépni, és megfigyelni, hogy az Al-elektrolit kondenzátorok használata milyen előnyös. Az egyik példa egy 90%-os hatásfokú, 1 kW-os off-line konverter teljesítménytényező-korrigált előlappal, amely 20 ms-os átfutást igényel, amint az a 6. ábrán látható. Általában egy belső egyenáramú busszal rendelkezik. névleges feszültség Vn 400 V és kieső feszültség Vd 300 V, amely alatt a kimeneti szabályozás elveszik.
A C1 ömlesztett kondenzátor energiát ad az állandó kimeneti teljesítmény fenntartásához a megadott átfutási idő alatt, mivel a busz feszültsége 400 V-ról 300 V-ra csökken egy kimaradás után. Matematikailag Po t/h =1/2 C(Vn²-Vd²) vagy C=2*1000*0,02/0,9*(400²-300²) =634nF 450 V névleges feszültség mellett.
Ha Al-elektrolit kondenzátorok használunk, akkor az egyenlet nagyjából 52 cm3 szükséges térfogatot eredményez (azaz 3 a 3-ban), pl. TDK-EPCOS B43508 sorozatot használnak. Ezzel szemben a filmkondenzátorok gyakorlatilag nem lennének nagyok, és 1500 cm3 össztérfogatnál (azaz 91 a 3-ban) párhuzamosan talán 15 kondenzátort igényelnének, ha a TDK-EPCOS B32678 sorozatot használják. A különbség nyilvánvaló, de a választás megváltozna, ha a kondenzátornak az egyenáramú vezeték hullámfeszültségét kell szabályoznia. Vegyünk egy hasonló példát, ahol a 400 V-os buszfeszültség akkumulátorról származik, így nincs szükség a tartásra. Mindazonáltal szükség van a hullámzási hatás csökkentésére, például 4 V négyzetes középértékre (rms) a 80 A effektív nagyfrekvenciás áramimpulzusokról, amelyeket egy downstream konverter vesz fel 20 kHz-en. Ez lehet egy elektromos jármű alkalmazás, és a szükséges kapacitás a C=irms/Vrippe.2.Π.f=80/4*2*3.14*20*1000=160 uF értékből becsülhető 450 V névleges feszültség mellett.
6. ÁBRA A kondenzátor áthaladáshoz (tarts fel). HVDC: nagyfeszültségű egyenáram.
Egy elektrolit 180 µF-on, 450 V-on 60 °C-on csak nagyjából 3,5 A effektív hullámos áramerősséggel rendelkezhet, beleértve a frekvenciakorrekciót (EPCOS B43508 sorozat). Így 80 A-hez párhuzamosan 23 kondenzátorra lenne szükség, ami szükségtelen 4140 µF-ot termel 1200 cm3 össztérfogattal (azaz 73 a 3-ban). Ez megfelel az elektrolitokra vonatkozó, néha idézett 20 mA/µF hullámosáram-besorolásnak. Ha figyelembe vesszük a filmkondenzátorokat, akkor most csak négy párhuzamosan EPCOS B32678 sorozatok 132 A effektív gyűrűs áramot adnak 402 cm3 térfogatban (azaz 24,5 a 3-ban). Ha a hőmérsékletet például 70 °C alatti környezeti hőmérsékletre korlátozzák, akkor is választható kisebb tokméret. Még ha más alapon választunk is elektrolitot, a kapacitástöbblet más problémákat okozhat, például a bekapcsolási áramban lévő energia szabályozását. Természetesen, ha tranziens túlfeszültségek lépnének fel, akkor a filmkondenzátorok sokkal robusztusabbak lennének az alkalmazásban. Példa erre a könnyű vontatás, ahol a felsővezetékhez való szakaszos csatlakozás túlfeszültséget okoz az egyenáramú kapcsolaton.
Ez a példa sok mai környezetre jellemző, például a szünetmentes áramellátó rendszerekben, a szél- és napenergiában, a hegesztésben és a hálózatra kötött inverterekben. A film és az Al elektrolitok közötti költségkülönbségek a 2013-ban megjelent ábrákban foglalhatók össze [2]. Az egyenirányított 440 Vac egyenáramú busz tipikus költségeit az 1. táblázat tartalmazza.
Egyéb alkalmazások a szétkapcsolás és snubber áramkörök konverterekben vagy inverterekben. Itt fólia/fólia konstrukciót érdemes alkalmazni, ha a méret megengedi, mivel a fémezett típusok speciális tervezési és gyártási lépéseket igényelnek. Leválasztásként a kondenzátort az egyenáramú buszra helyezzük, hogy alacsony induktivitású utat biztosítson a nagyfrekvenciás áramok keringetéséhez, jellemzően 1 µF/100 A kapcsolt. Kondenzátor nélkül az áram nagyobb induktivitású hurkon keresztül kering, tranziens feszültségeket (Vtr) okozva az alábbiak szerint: Vtr =-Ldi/dt.
Ha lehetséges az 1000 A/µs áramváltozás, néhány nanohenri induktivitás jelentős feszültséget képes előállítani. A nyomtatott áramköri lapok induktivitása körülbelül 1 nH/mm lehet, így ebben a helyzetben nagyjából 1 Vtr/mm. Ezért fontos, hogy a kapcsolatok a lehető legrövidebbek legyenek. A dV/dt kapcsolók közötti vezérléséhez a kondenzátort és az ellenállás/dióda hálózatot párhuzamosan kell elhelyezni egy IGBT vagy MOSFET (7. ábra).
Ez lelassítja a csengetést, szabályozza az elektromágneses interferenciát (EMI), és megakadályozza a magas feszültség miatti hamis kapcsolást.
7. ÁBRA A kapcsoló elakad. 8. ábra A filmkondenzátorok EMI-elnyomásként. 9. ábra A filmkondenzátorok motorhajtású EMC szűrésben.
dV/dt, különösen az IGBT-kben. A kiindulási pont gyakran az, hogy a csillapító kapacitás nagyjából kétszerese a kapcsoló kimeneti kapacitásának és a szerelési kapacitásnak, majd az ellenállást úgy választják ki, hogy kritikusan csillapítsa a csengéseket. Optimálisabb tervezési megközelítéseket fogalmaztak meg.
Biztonsági besorolású polipropilén kondenzátorokat gyakran használnak távvezetékeken a differenciális üzemmódú EMI csökkentésére (8. ábra). Kulcsfontosságú az átmeneti túlfeszültségek ellenálló képessége és az öngyógyulás. Az ezekben a pozíciókban lévő kondenzátorok X1 vagy X2 besorolásúak, amelyek 4, illetve 2,5 kV-os tranzienseket képesek ellenállni. A használt értékek gyakran a mikrofaradokban vannak, hogy megfeleljenek a tipikus elektromágneses kompatibilitási (EMC) szabványoknak nagy teljesítményszinten. A fólia Y-típusú kondenzátorok vonal-föld helyzetekben is használhatók a közös módusú zaj csillapítására, ahol a kapacitás kapacitása szivárgóáram-megfontolások miatt korlátozott (8. ábra). Az Y1 és Y2 változatok 8, illetve 5 kV-os tranziens névleges értékhez állnak rendelkezésre. Filmkondenzátorok alacsony csatlakozási induktivitása is segítik az önrezonanciákat magas szinten tartani.
A nem polarizált kondenzátorok egyre növekvő alkalmazása az aluláteresztő szűrők soros induktorokkal történő kialakítása a hajtások és inverterek váltakozó áramú kimenetében a nagyfrekvenciás harmonikusok csillapítására (9. ábra). A polipropilén kondenzátorokat gyakran használják megbízhatóságuk, nagy hullámossági áramuk és jó térfogati hatékonyságuk miatt, és az induktorokat és a kondenzátorokat gyakran egy modulba csomagolják. A terhelések, például a motorok gyakran távol vannak a meghajtóegységtől, és szűrőket használnak annak érdekében, hogy a rendszerek megfeleljenek az EMC-követelményeknek, és csökkentsék a kábelezésre és a motorokra nehezedő feszültséget a túlzott dV/dt szint miatt.
