Den mångsidiga samlingen av kondensatortyper har inte förändrats mycket under de senaste åren, men applikationerna har verkligen gjort det. I den här artikeln tittar vi på hur kondensatorer används i kraftelektronik och jämför den tillgängliga tekniken. Filmkondensatorer visar sina fördelar i kommande applikationer som t.ex elfordon , alternativ energiomvandling, och växelriktare i frekvensomriktare . Aluminium (Al) elektrolytik är dock fortfarande viktig när energilagringstätheten är huvudkravet.
Al elektrolitisk eller filmkondensator?
Det är lätt att avfärda Al elektrolytik som gårdagens teknik, men skillnaden i prestanda mellan dem och filmalternativet är inte alltid så tydlig. När det gäller lagrad energitäthet, det vill säga joule/kubikcentimeter, ligger de fortfarande före standardfilmkondensatorer, även om exotiska varianter som segmenterade högkristallina metalliserad polypropen är jämförbara. Dessutom bibehåller Al-elektrolytik sin rippelströmklass vid högre temperaturer bättre än konkurrerande filmkondensatorer. Till och med de upplevda livslängds- och tillförlitlighetsproblemen är inte så betydande när Al-elektrolytika är lämpligt reducerade. Al elektrolytik är fortfarande mycket attraktiv där det krävs att en likströmsbussspänning går igenom vid ett strömavbrott utan batteribackup. Till exempel, när kostnaden är en drivande faktor, är det särskilt svårt att förutse att filmkondensatorer tar över från bulkkondensatorerna i off-line strömförsörjningar.
Filmen vinner på många sätt
Filmkondensatorer har flera betydande fördelar jämfört med andra kondensatorer: ESR-värdena (ekvivalent serieresistans) kan vara dramatiskt lägre, vilket leder till mycket bättre rippelströmshantering. Överspänningsvärden är också överlägsna, och, kanske viktigast, filmkondensatorer kan självläka
FIG 1 Kondensatorfilmens egenskaper.
FIG 2 Variationen av DF med temperaturen för polypropenfilm.
Efter stress, vilket leder till bättre systemtillförlitlighet och livslängd. Förmågan att självläka beror dock på stressnivån, toppvärdena och upprepningsfrekvensen. Dessutom är ett eventuellt katastrofalt fel fortfarande möjligt på grund av kolavlagring och sidoskador från plasmabågen som genereras under felrensning. Dessa egenskaper matchar de moderna tillämpningarna av kraftomvandling i elfordon och alternativa energisystem där det inte krävs någon uppehåll vid avbrott eller mellan linjefrekvens-rippeltoppar. Huvudkravet är förmågan att generera och sänka högfrekventa rippelströmmar som kan nå hundratals om inte tusentals ampere samtidigt som tolererbara förluster och hög tillförlitlighet bibehålls. Det sker också en rörelse till högre bussspänningar för att minska ohmska förluster vid givna effektnivåer. Detta skulle innebära en seriekoppling av Al-elektrolytik med deras inneboende maximala spänningsvärde på cirka 550 V. För att undvika spänningsobalans kan det vara nödvändigt att välja de dyra kondensatorerna med matchade värden och använda spänningsbalanseringsmotstånd med tillhörande förluster och kostnader.
Tillförlitlighetsfrågan är inte okomplicerad, även om elektrolytik under kontrollerade förhållanden är jämförbara med kraftfilm, vilket innebär att de vanligtvis bara tål 20 % av överspänningen innan skadan uppstår. Däremot tål filmkondensatorer kanske 100 % av överspänningen under begränsade perioder. Vid fel kan elektrolytik kortsluta och explodera och ta ner en hel rad serie-/parallella komponenter med farlig elektrolytladdning. Filmkondensatorer kan också självläka, men systemets tillförlitlighet under autentiska förhållanden med tillfällig stress kan vara mycket olika mellan de två typerna. Som med alla komponenter kan höga luftfuktighetsnivåer försämra filmkondensatorns prestanda, och för bästa tillförlitlighet bör detta kontrolleras väl. En annan praktisk skillnad är att det är lätt att montera filmkondensatorer – de finns tillgängliga i isolerade, volymetriskt effektiva rektangulära lådkapslingar med en mängd olika elektriska anslutningsalternativ, från skruvterminaler till klackar, fastoner och samlingsskenor, jämfört med de typiska runda metallburkar av elektrolytika. Den opolära dielektriska filmen ger omvändssäker montering och tillåter användning i applikationer där växelström appliceras, såsom i inverter-utgångsfiltrering.
Naturligtvis finns det många dielektriska typer av filmkondensatorer tillgängliga, och figur 1 ger en sammanfattning av deras jämförande prestanda [1]. Polypropenfilm är den totala vinnaren när förluster och tillförlitlighet under stress är de viktigaste faktorerna på grund av dess låga DF och höga dielektriska nedbrytning per enhet tjocklek. De andra filmerna kan vara bättre för temperaturklassificering och kapacitans/volym, med högre dielektriska konstanter och tunnare filmtillgänglighet, och vid låga spänningar är polyester fortfarande i vanlig användning. DF är särskilt viktig och definieras som ESR/kapacitiv reaktans, och den anges vanligtvis vid 1 kHz och 25 °C. En låg DF i jämförelse med andra dielektrika innebär lägre uppvärmning och är ett sätt att jämföra förluster per mikrofarad. DF varierar något med frekvens och temperatur, men polypropen presterar bäst. Figurerna 2 och 3 visar de typiska kurvorna.
Det finns två huvudtyper av filmkondensatorkonstruktioner som använder folie och avsatt metallisering, som visas i figur 4. Metallfolie som är ungefär 5 nm tjock används vanligtvis mellan dielektriska skikt på grund av sin höga toppströmsförmåga, men den gör sig inte själv -läka efter uthållig stress. Metalliserad film bildas genom ett vakuum och genom att typiskt avsätta Al vid 1 200 °C på filmen till en tjocklek av ungefär 20–50 nm med filmens temperatur från −25 till −35 °C,
FIG 3 Variationen av DF med frekvensen för polypropenfilm.
FIG 4 Filmens kondensatorkonstruktion
även om zink (Zn) och Al-Zn legeringar också kan användas. Denna process möjliggör självläkning, där nedbrytningar när som helst i dielektrikumet orsakar lokal intensiv uppvärmning, kanske upp till 6 000 °C, vilket gör att plasma bildas. Metalliseringen runt nedbrytningskanalen förångas, med den snabba expansionen av plasman som dämpar urladdningen, vilket isolerar defekten och lämnar kondensatorn fullt fungerande. Kapacitansminskningen är minimal men additiv över tiden, vilket gör den till en användbar indikator på komponentens åldrande.
En vanlig metod för ytterligare tillförlitlighetsförbättring är att segmentera metalliseringen på filmen i områden, kanske miljoner, med smala grindar som matar strömmen in i segmenten och fungerar som säkringar för grov överbelastning. Avsmalningen av den totala strömvägen till metalliseringen minskar visserligen komponentens toppströmhantering, men den extra säkerhetsmarginalen som införs gör att kondensatorn kan värderas till högre spänningar.
Modern polypropen har en dielektrisk hållfasthet på cirka 650 V/µm och är tillgänglig i tjocklekar på cirka 1,9 µm och uppåt, så kondensatorspänningar på upp till flera kilovolt kan rutinmässigt uppnås, med vissa delar till och med klassad till 100 kV. Men vid högre spänningar blir fenomenet partiell urladdning (PD), även känd som koronaurladdning, en faktor. PD är högspänningsnedbrytningen av mikrohålrum i materialmassan eller i luftgapen mellan materiallager, vilket orsakar en partiell kortslutning av den totala isoleringsvägen. PD (koronaurladdning) lämnar ett litet kolspår; den initiala effekten är omärkbar men kan ackumuleras med tiden tills en grov och plötslig nedbrytning av den försvagade, kolspårade isoleringen inträffar. Effekten beskrivs av Paschen-kurvan, som visas i figur 5, och har en karakteristisk start- och släckspänning. Figuren visar två exempel på fältstyrkor. Punkter ovanför Paschen-kurvan, A, kommer sannolikt att producera en PD-nedbrytning.
FIG 5 Paschen-kurvan och exempel på elektriska fältstyrkor.
För att motverka effekten är kondensatorer med mycket hög spänning oljeimpregnerade för att utesluta luft från skiktgränssnitten. Typer med lägre spänning tenderar att vara hartsfyllda, vilket också hjälper till med mekanisk robusthet. En annan lösning är att bilda seriekondensatorer i enkla höljen, vilket effektivt minskar spänningsfallet över var och en till långt under startspänningen. PD är en effekt på grund av elektrisk fältintensitet, så att öka dielektrisk tjocklek för att minska spänningsgradienten är alltid möjligt men ökar den totala storleken på kondensatorn. Det finns kondensatorkonstruktioner som kombinerar folier och metallisering för att ge en kompromiss mellan toppströmskapacitet och självläkning. Metalliseringen kan även graderas från kanten på kondensatorn så att tjockare material vid kanterna ger bättre strömhantering och mer robust avslutning genom lödning eller svetsning, och sorteringen kan vara kontinuerlig eller stegvis.
Det är kanske användbart att ta ett steg tillbaka och observera hur det är fördelaktigt att använda Al-elektrolytiska kondensatorer. Ett exempel är en 90 % effektiv, 1 kW offline-omvandlare med en effektfaktorkorrigerad frontend, som behöver en 20 ms genomkörning, som visas i figur 6. Den kommer vanligtvis att ha en intern likströmsbuss med nominell spänning, Vn, på 400 V och en drop-out-spänning, Vd, på 300 V, under vilken utgångsregleringen går förlorad.
Bulkkondensatorn C1 levererar energi för att bibehålla konstant uteffekt under den specificerade genomkörningstiden då bussspänningen sjunker från 400 till 300 V efter ett avbrott. Matematiskt sett är Po t/h =1/2 C(Vn²-Vd²) eller C=2*1000*0,02/0,9*(400²-300²) =634nF vid 450 V klassificering.
Om Al-elektrolytiska kondensatorer används, resulterar ekvationen i en erforderlig volym på ungefär 52 cm3 (dvs. 3 i 3 ), t.ex. om TDK-EPCOS B43508-serien används. Däremot skulle filmkondensatorer vara opraktiskt stora och kräva kanske 15 parallella vid en total volym på 1 500 cm3 (dvs. 91 i 3 ) om TDK-EPCOS B32678-serien används. Skillnaden är uppenbar, men valet skulle ändras om kondensatorn behövde styra rippelspänningen på en likströmsledning. Ta ett liknande exempel där 400-V-bussspänningen kommer från ett batteri, så uppehåll krävs inte. Det finns emellertid ett behov av att reducera rippeleffekten till t.ex. 4 V rotmedelvärde (rms) från 80 A rms högfrekventa strömpulser tagna av en nedströmsomvandlare vid 20 kHz. Detta kan vara ett elfordonstillämpning, och den erforderliga kapacitansen kan uppskattas från C=irms/Vrippe.2.Π.f=80/4*2*3,14*20*1000=160 uF vid 450 V klassificering.
FIG 6 Kondensatorn för en åktur (håll upp). HVDC: högspänningslikström.
Ett elektrolytmedel vid 180 µF, 450 V kan ha en rippelströmsklassificering på endast ungefär 3,5 A rms vid 60 °C, inklusive frekvenskorrigering (EPCOS B43508-serien). För 80 A skulle alltså 23 kondensatorer behövas parallellt, vilket ger onödiga 4 140 µF med en total volym på 1 200 cm3 (dvs 73 i 3 ). Detta överensstämmer med den ibland angivna 20 mA/µF rippelströmsklassificeringen för elektrolytika. Om filmkondensatorer övervägs, nu, bara fyra parallellt från EPCOS B32678 serier ger en 132-A rms rippelström i en volym på 402 cm3 (dvs. 24,5 in 3 ). Om temperaturen är begränsad till t.ex. mindre än 70 °C omgivningstemperatur, kan en mindre hölje fortfarande väljas. Även om vi väljer elektrolytik på andra grunder kan överkapacitansen orsaka andra problem, som att styra energin i startströmmen. Naturligtvis, om transienta överspänningar kunde uppstå, skulle filmkondensatorerna vara mycket mer robusta i applikationen. Ett exempel på detta skulle vara i lätt dragkraft, där en intermittent anslutning till en kontaktledning orsakar överspänning på likströmslänken.
Detta exempel är typiskt för många miljöer idag, till exempel i avbrottsfri kraftförsörjning, vind- och solenergi, svetsning och nätanslutna växelriktare. Kostnadsskillnaderna mellan film och Al-elektrolytika kan sammanfattas i siffror publicerade 2013 [2]. De typiska kostnaderna för en DC-buss från likriktad 440 Vac finns i Tabell 1.
Andra tillämpningar är för frikoppling och snubberkretsar i konverterare eller växelriktare. Här bör film/foliekonstruktion användas om storleken tillåter, eftersom metalliserade typer kräver speciella design- och tillverkningssteg. Som frånkoppling placeras kondensatorn över likströmsbussen för att tillhandahålla en låginduktansväg för cirkulerande högfrekventa strömmar, typiskt 1 µF per 100 A switchad. Utan kondensatorn cirkulerar strömmen genom slingor med högre induktans, vilket orsakar transientspänningar (Vtr) enligt följande: Vtr =-Ldi/dt.
Med strömändringar på 1 000 A/µs möjliga, kan bara några få nanohenries av induktans producera betydande spänningar. Tryckta kretskortspår kan ha en induktans på cirka 1 nH/mm, vilket ger därför ungefär 1 Vtr/mm i denna situation. Därför är det viktigt att anslutningarna är så korta som möjligt. För att styra dV/dt över switchar placeras kondensatorn och ett motstånd/diodnätverk parallellt med en IGBT eller MOSFET (Figur 7).
Detta saktar ner ringsignalen, kontrollerar elektromagnetisk störning (EMI) och förhindrar falsk omkoppling på grund av hög
FIG 7 Strömbrytaren snubbar. FIG 8 Filmkondensatorerna som EMI-dämpning. FIG 9 Filmkondensatorerna i motordriven EMC-filtrering.
dV/dt, särskilt i IGBT. En utgångspunkt är ofta att göra snubberkapacitansen ungefär två gånger summan av switchens utgångskapacitans och monteringskapacitans, och motståndet väljs sedan för att kritiskt dämpa eventuell ringning. Mer optimala designmetoder har formulerats.
Säkerhetsklassade polypropenkondensatorer används ofta över kraftledningar för att minska EMI i differentialläge (Figur 8). Deras förmåga att motstå transienta överspänningar och självläkning är avgörande. Kondensatorer i dessa lägen är klassade som X1 eller X2, som tål 4- respektive 2,5 kV transienter. De värden som används är ofta i mikrofaraderna för att uppnå överensstämmelse med typiska standarder för elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) vid höga effektnivåer. Kondensatorer av Y-typ film kan också användas i linje-till-jord-positioner för att dämpa common mode-brus där kapacitansvärdet är begränsat på grund av läckströmsöverväganden (Figur 8). Y1- och Y2-versioner finns tillgängliga för 8- respektive 5-kV transientklassificeringar. Låga anslutningsinduktanser för filmkondensatorer hjälper också till att hålla självresonansen hög.
En ökande tillämpning för opolariserade kondensatorer är att bilda lågpassfilter med serieinduktorer för att dämpa högfrekventa övertoner i växelströmsutgången från frekvensomriktare och växelriktare (Figur 9). Polypropenkondensatorer används ofta för sin tillförlitlighet, höga rippelströmsklassificering och goda volymetriska effektivitet i applikationen, och induktorerna och kondensatorerna är ofta förpackade tillsammans i en modul. Belastningar som motorer är ofta långt från drivenheten, och filter används för att göra det möjligt för system att uppfylla EMC-kraven och minska belastningen på kablage och motorer från för höga dV/dt-nivåer.
