Den olika samlingen av kondensatortyper har inte förändrats mycket under de senaste åren, men applikationer har verkligen. I den här artikeln tittar vi på hur kondensatorer används i kraftelektronik och jämför de tillgängliga teknikerna. Filmkondensatorer visar sina fördelar i kommande ansökningar som elfordon , Alter- Native Energy Power-omvandling, och inverterare i enheter . Emellertid är aluminium (AL) elektrolytik fortfarande viktiga när energilagringstäthet är huvudkravet.
Al elektrolitisk eller filmkondensator?
Det är lätt att avfärda Al elektrolytik Som gårdagens teknik, men differentieringen i prestanda mellan dem och filmalternativet är inte alltid så tydligt. När det gäller lagrad energitäthet, dvs Joules/kubikcentimeter, är de fortfarande före standardfilmkondensatorer, även om exotiska varianter som segmenterade högkristallina metalliserad polypropen är jämförbara. Dessutom upprätthåller Al Electrolytics sin krusningsströmsvärde vid högre temperaturer bättre än konkurrerande filmkondensatorer. Till och med de upplevda livs- och tillförlitlighetsfrågorna är inte så betydelsefulla när al elektrolytik är lämpligt härstammade. Al elektrolytik är fortfarande mycket attraktiva där genomgången för en DC-busspänning på ett strömavbrott krävs utan batteri säkerhetskopiering. Till exempel, när kostnaden är en drivande faktor, är det särskilt svårt att förutse filmkondensatorer som tar över från bulkkondensatorerna i råvaror off-line strömförsörjning.
Film vinner på många sätt
Filmkondensatorer har flera betydande fördelar jämfört med andra kondensatorer: Equivalent Series Resistance (ESR) betyg kan vara dramatiskt lägre, vilket leder till mycket bättre ripplecurrenthantering. Surge-spänningsbetyg är också överlägsna, och kanske mest betydande filmkondensatorer kan självvärda
Fig 1 Kondensatorfilmegenskaperna.
Fig 2 Variationen av DF med temperaturen för polypropenfilm.
Efter stress, vilket leder till bättre systemtillförlitlighet och livstid. Förmågan att självhela beror emellertid på stressnivå, toppvärden och upprepningshastighet. Dessutom är eventuellt katastrofalt fel fortfarande möjligt på grund av kolavlagring och säkerhetsskador från plasmabågen som genereras under felrensning. Dessa egenskaper matchar de moderna tillämpningarna av kraftomvandling i elektriska fordon och alternativa energisystem där det inte krävs någon hållning med avbrott eller mellan linfrekventa rippeloppar. Huvudkravet är förmågan att källa och sjunka högfrekventa rippelströmmar som kan nå hundratals om inte tusentals förstärkare samtidigt som de upprätthåller acceptabla förluster och hög tillförlitlighet. Det finns också en rörelse till högre busspänningar för att minska ohmiska förluster vid givna effektnivåer. Detta skulle innebära en serieanslutning av Al -elektrolytik med deras inneboende maximala spänningsgrad på cirka 550 V. För att undvika en spänningsobalans kan det vara nödvändigt att välja de dyra kondensatorerna med matchade värden och använda spänningsbalansmotstånd med deras tillhörande förluster och kostnad.
Tillförlitlighetsfrågan är inte enkel, även om elektrolytik under kontrollerade förhållanden är jämförbara med kraftfilm, vilket innebär att de vanligtvis kommer att tåla endast 20% av överspänningen innan skador inträffar. Däremot kan filmkondensatorer tåla kanske 100% av överspänningen under begränsade perioder. Vid misslyckande kan elektrolytik kortsluta och explodera och ta ner en hel serie/parallella komponenter med en farlig elektrolytutsläpp. Filmkondensatorer kan också självhelar, men systemtillförlitligheten under autentiska förhållanden för tillfällig stress kan vara mycket olika mellan de två typerna. Liksom med alla komponenter kan höga luftfuktighetsnivåer försämra filmkondensatorprestanda, och för bästa tillförlitlighet bör detta vara väl kontrollerat. En annan praktisk differentierare är den enkla montering av filmkondensatorer - de finns i isolerade, volymetriskt effektiva rektangulära lådor med en mängd elektriska anslutningsalternativ, från skruvterminaler till flikar, snabboner och busstänger, jämfört med de typiska runda metallburkar av elektrolytik. Den icke-polära dielektriska filmen ger omvänd säker montering och möjliggör användning i applikationer där AC appliceras, till exempel i filtrering av inverter-output.
Naturligtvis finns det många filmkondensatordielektriska typer tillgängliga, och figur 1 ger en sammanfattning av deras jämförande föreställningar [1]. Polypropenfilm är den övergripande vinnaren när förluster och tillförlitlighet under stress är de viktigaste övervägandena på grund av dess låga DF och höga dielektriska nedbrytning per tjocklek. De andra filmerna kan vara bättre för temperaturbetyg och kapacitans/volym, med högre dielektriska konstanter och tunnare filmtillgänglighet, och vid låga spänningar är polyester fortfarande i vanligt bruk. DF är särskilt viktigt och definieras som ESR/kapacitiv reaktans, och den specificeras vanligtvis vid 1 kHz och 25 ° C. En låg DF jämfört med annan dielektrik 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 tomterna.
Det finns två huvudtyper av filmkondensatorkonstruktioner som använder folie och avsatt metallisering, såsom visas i figur 4. Metallfolie som är ungefär 5-nm tjock används vanligtvis mellan dielektriska skikt för dess höga toppströmskapacitet, men den är inte självhärlig efter att ha hållit stress. Metaliserad film bildas av ett vakuum och genom vanligtvis avsatta AL vid 1 200 ° C på filmen till en tjocklek av ungefär 20–50 nm med filmens temperatur som sträcker sig från −25 till −35 ° C,
Fig 3 Variationen av DF med frekvensen för polypropylenfilm.
Fig 4 Filmkondensatorkonstruktionen
Även om zink (Zn) och Al-Zn-legeringar också kan användas. Denna process möjliggör självhelande, där nedbrytningar när som helst i hela den dielektriska orsakar lokal intensiv uppvärmning, kanske upp till 6 000 ° C, vilket får en plasma att bildas. Metalliseringen kring nedbrytningskanalen förångas, med den snabba utvidgningen av plasma som släcker urladdningen, vilket isolerar defekten och lämnar kondensatorn fullt funktionell. Minskningen av kapacitans är minimal men additiv över tid, vilket gör det till en användbar indikator på åldrandet av komponenten.
En vanlig metod för ytterligare förbättring av tillförlitligheten är att segmentera metalliseringen på filmen i områden, kanske miljoner, med smala grindar som matar strömmen i segmenten och fungerar som säkringar för grova överbelastningar. Förskjutningen av den totala strömvägen till metalliseringen minskar den högsta aktuella hanteringen av komponenten, men den extra säkerhetsmarginalen som introducerats gör att kondensatorn kan användas med högre spänningar.
Modern polypropen har en dielektrisk styrka på cirka 650 V/um och är tillgängligt i tjocklekar på ungefär 1,9 um och uppåt, så kondensatorspänningsvärden upp till flera kilovolter kan rutinmässigt uppnås, med vissa delar till och med rankade till 100 kV. Vid högre spänningar blir emellertid fenomenet partiellt urladdning (PD), även känd som Corona -urladdning, en faktor. PD är högspänningsnedbrytningen av mikrovoider i huvuddelen av materialet eller i luftgapet mellan lager av material, vilket orsakar en partiell kortslutning av den totala isoleringsvägen. PD (Corona -urladdning) lämnar ett litet kolspår; Den initiala effekten är obemärkt men kan ackumuleras över tid tills en grov och plötslig nedbrytning av den försvagade, kol-spårade isoleringen inträffar. Effekten beskrivs av Paschen -kurvan, som visas i figur 5, och har en karakteristisk inlednings- och utrotningsspänning. Figuren visar två exempelfältstyrkor. Poäng ovanför Paschen -kurvan, A, kommer sannolikt att ge en PD -uppdelning.
Fig 5 Paschen -kurvan och exempel på elektriska fältstyrkor.
För att motverka effekten impregneras mycket högspänningsklassade kondensatorer för att utesluta luft från skiktgränssnitt. Lägre spänningstyper tenderar att vara hartsfyllda, vilket också hjälper till med mekanisk robusthet. En annan lösning är att bilda seriekondensatorer i enstaka hus, vilket effektivt minskar spänningsfallet över var och en för att långt under startspänningen. PD är en effekt på grund av elektrisk fältintensitet, så att öka dielektrisk tjocklek för att minska spänningsgradienten är alltid möjlig men ökar kondensatorns totala storlek. Det finns kondensatorkonstruktioner som kombinerar folier och metallisering för att ge en kompromiss mellan toppströmförmåga och självhelande. Metalliseringen kan också graderas från kondensatorns kant så att tjockare material i kanterna ger bättre aktuell hantering och mer robust avslutning genom lödning eller svetsning, och graderingen kan vara kontinuerlig eller steg.
Det är kanske användbart att ta ett steg tillbaka och observera hur användning av al-elektrolytiska kondensatorer är fördelaktigt. Ett exempel är i en 90%-effektiv, 1-kW off-line-omvandlare med en kraftfaktor-korrigerad frontend, som behöver en 20 ms-tur genom, som visas i figur 6. Den kommer vanligtvis att ha en intern DC-buss med nominell spänning, VN, på 400 V och en bortfallsspänning, VD, av 300 V, under vilken utgångsreglering är förlorad.
Bulkkondensatorn C1 levererar energi för att upprätthålla konstant utgångseffekt under den angivna körtiden när busspänningen sjunker från 400 till 300 V efter ett avbrott. Matematiskt, 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, då resulterar ekvationen i en nödvändig volym på ungefär 52 cm3 (dvs 3 i 3), till exempel om Tdk-epcos B43508 -serien används. Däremot skulle filmkondensatorer vara opraktiskt stora, vilket kanske kräver 15 parallellt vid en total volym av 1 500 cm3 (dvs 91 i 3) om TDK-Epcos B32678-serien används. Skillnaden är uppenbar, men valet skulle förändras om kondensatorn behövde styra krusningsspänningen på en likströmslinje. Ta ett liknande exempel där 400-V busspänningen är från ett batteri, så att hållet inte krävs. Det finns emellertid ett behov av att minska krusningseffekten till, t.ex. 4 V Root Mean Squared (RMS) från 80 A RMS High-Frekvent strömpulser tagna av en nedströms omvandlare vid 20 kHz. Detta kan vara en elektrisk fordonsapplikation, och den kapacitans som krävs kan approximeras från C = IRMS/VRIPPE.2.π.f = 80/4*2*3.14*20*1000 = 160 UF vid 450 V -betyg.
Fig 6 Kondensatorn för en tur genom (håll upp). HVDC: Högspänning DC.
En elektrolytisk vid 180 μF, 450 V kan ha en ripplecurrent -klassificering på endast cirka 3,5 A RMS vid 60 ° C, inklusive frekvenskorrigering (EPCOS B43508 -serien). För 80 A skulle 23 kondensatorer således krävas parallellt, vilket producerar en onödig 4 140 μF med en total volym av 1 200 cm3 (dvs 73 i 3). Detta överensstämmer med den ibland citerade 20 mA/µF-rippelströmsgraderingen för elektrolytik. Om filmkondensatorer övervägs nu bara fyra parallellt från EPCOS B32678 Serier ger en 132-a rms rippelströmsgradering i en volym av 402 cm3 (dvs. 24,5 i 3). Om temperaturen är begränsad till t.ex. mindre än 70 ° C omgivning, kan en mindre fallstorlek fortfarande väljas. Även om vi väljer elektrolytik på andra grunder kan överskottskapacitansen orsaka andra problem, till exempel att kontrollera energin i Inrush -strömmen. Naturligtvis, om övergående överspänningar skulle kunna inträffa, skulle filmkondensatorerna vara mycket mer robusta i applikationen. Ett exempel på detta skulle vara i lätt dragkraft, där en intermittent anslutning till en kedja orsakar överspänning på DC-länkanslutningen.
Detta exempel är typiskt för många miljöer idag, till exempel i oavbruten strömförsörjningssystem, vind- och solenergi, svetsning och nätbundna inverterare. Kostnadsskillnaderna mellan film och al elektrolytik kan sammanfattas i siffror som publicerades 2013 [2]. De typiska kostnaderna för en DC-buss från korrigerad 440 VAC finns i tabell 1.
Andra applikationer är för avkoppling och snubbelkretsar i omvandlare eller inverterare. Här bör film/folie konstruktion användas om storlek tillåter, eftersom metalliserade typer kräver specialdesign och tillverkningssteg. Som avkoppling placeras kondensatorn över DC-bussen för att ge en låg induktansväg för cirkulerande högfrekventa strömmar, vanligtvis 1 uf per 100 A-byte. Utan kondensatorn cirkulerar strömmen genom högre induktansslingor, vilket orsakar övergående spänningar (VTR) enligt följande: VTR = -LDI/DT.
Med nuvarande förändringar på 1 000 A/µs som är möjliga kan bara några nanohenries av induktans ge betydande spänningar. Spårspår med tryckt krets kan ha en induktans på cirka 1 nH/mm, vilket ger därför ungefär 1 vtr/mm i denna situation. Således är det viktigt för anslutningar att vara så kort som möjligt. För att styra DV/ DT över switchar placeras kondensatorn och ett motstånd/ diodnätverk parallellt med en Igbt eller MOSFET (figur 7).
Denna bromsar ringer, kontrollerar elektromagnetisk störning (EMI) och förhindrar falsk växling på grund av hög
Fig 7 Omkopplaren snubbar. Fig 8 Filmkondensatorerna som EMI -undertryckning. Fig 9 Filmkondensatorerna i Motor-Drive EMC-filtrering.
DV/DT, särskilt i IGBTS. En utgångspunkt gör ofta snubberskapacitansen ungefär dubbelt så mycket som summan av switchutgångskapacitansen och monteringskapacitansen, och motståndet väljs sedan för att kritiskt dämpa alla ringar. Mer optimala designmetoder har formulerats.
Säkerhetsbedömda polypropenkondensatorer används ofta över kraftledningar för att minska differentiellt läge EMI (figur 8). Deras förmåga att motstå övergående överspänningar och självhälsning är avgörande. Kondensatorer i dessa positioner är klassade som X1 eller X2, som kan tåla 4- respektive 2,5-kV transienter. Värdena som används finns ofta i mikrofaraderna för att uppnå överensstämmelse med typisk elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) -standarder vid höga effektnivåer. Film Y-typkondensatorer kan också användas i linje-till-jordpositioner för att dämpa gemensamt läge-brus där CA-pacitansvärdet är begränsat på grund av läckages nuvarande överväganden (figur 8). Y1- och Y2-versioner är tillgängliga för 8- och 5-KV övergående betyg. Låg anslutningsinduktanser av filmkondensatorer Hjälp också att hålla självföreställningar höga.
En ökande tillämpning för icke-polariserade kondensatorer är att bilda lågpassfilter med serieinduktorer för att dämpa högfrekvensharmonik i AC-utgången från enheter och inverterare (figur 9). Polypropylenkondensatorer används ofta för sin tillförlitlighet, höga krusningsströmsgradering och god volymetrisk effektivitet i applikationen, och induktorerna och kondensatorerna förpackas ofta i en modul. Belastningar som motorer är ofta avlägsna från drivenheten, och filter används för att göra det möjligt för system att uppfylla EMC -kraven och minska stress på kablar och motorer från överdrivna DV/DT -nivåer.