De diverse verzameling condensatortypen is de afgelopen jaren niet veel veranderd, maar applicaties zijn dat zeker. In dit artikel kijken we naar hoe condensatoren worden gebruikt in Power Electronics en vergelijken we de beschikbare technologieën. Filmcondensatoren tonen hun voordelen in komende applicaties zoals elektrische voertuigen , Alter-native energievermogen conversie, en omvormers in schijven . Aluminium (AL) elektrolytica is echter nog steeds belangrijk wanneer de dichtheid van energieopslag de belangrijkste vereiste is.
Al elektrolitisch of filmcondensator?
Het is gemakkelijk af te doen Al elektrolytica Als de technologie van gisteren, maar de differentiatie in prestaties tussen hen en het filmalternatief is niet altijd zo duidelijk. In termen van opgeslagen energiedichtheid, d.w.z. Joules/kubieke centimeter, lopen ze nog steeds voor op standaardfilmcondensatoren, hoewel exotische varianten zoals gesegmenteerd high-kristallijn metaalpolypropyleen zijn vergelijkbaar. Ook behouden AL-elektrolytica hun rimpelstroomrating bij hogere temperaturen beter dan concurrerende filmcondensatoren. Zelfs de waargenomen problemen met het leven en betrouwbaarheid zijn niet zo belangrijk als Al -elektrolytica op de juiste manier worden verlaagd. Al Elektrolytics zijn nog steeds erg aantrekkelijk waar de rit-through van een DC-busspanning op een stroomstoring vereist is zonder batterijback-up. Wanneer de kosten bijvoorbeeld een drijvende factor zijn, is het vooral moeilijk om te anticiperen op filmcondensatoren die het overnemen van de bulkcondensatoren in off-line voedingen van de grondstoffen.
Film wint op veel manieren
Filmcondensatoren hebben verschillende belangrijke voordelen ten opzichte van andere condensatoren: Equivalent Series Resistance (ESR) -beoordelingen kunnen dramatisch lager zijn, wat leidt tot een veel betere ripplecurrent handling. Surge-spanningsbeoordelingen zijn ook superieur, en, misschien het meest aanzienlijk, filmcondensatoren kunnen zichzelf genezen
Fig 1 De kenmerken van de condensatorfilm.
Fig 2 De variatie van de DF met de temperatuur voor polypropyleenfilm.
Na stress, wat leidt tot een betere systeembetrouwbaarheid en levenslang. Het vermogen om zelf te genezen, hangt echter af van het stressniveau, piekwaarden en herhalingssnelheid. Bovendien is uiteindelijke catastrofale storing nog steeds mogelijk vanwege koolstofafzetting en onderpandschade door de plasmaboog gegenereerd tijdens het verwijderen van fouten. Deze kenmerken komen overeen met de moderne toepassingen van stroomconversie in elektrische voertuigen en alternatieve energiesystemen waar er geen hold-up is vereist met storingen of tussen lijnfrequentie rimpelpieken. De belangrijkste vereiste is het vermogen om hoogfrequente rimpelstromen te vinden en te zinken die honderden, zo niet duizenden versterkers kunnen bereiken met behoud van aanvaardbare verliezen en hoge betrouwbaarheid. Er is ook een beweging naar hogere busspanningen om ohmverliezen bij gegeven vermogensniveaus te verminderen. Dit zou een serieverbinding van Al -elektrolytica betekenen met hun inherente maximale spanningsclassificatie van ongeveer 550 V. Om een spanningsonbalans te voorkomen, kan het nodig zijn om de dure condensatoren met gematchte waarden te kiezen en spanningsbalancerende weerstanden te gebruiken met bijbehorende verliezen en kosten.
Het probleem van betrouwbaarheid is niet eenvoudig, hoewel elektrolytica onder gecontroleerde omstandigheden vergelijkbaar zijn met de stroomfilm, wat betekent dat ze meestal slechts 20% van de overspanning zullen weerstaan voordat schade optreedt. Filmcondensatoren daarentegen kunnen misschien 100% van de overspanning voor beperkte periodes weerstaan. Bij falen kan elektrolytica kortsluiting en exploderen, waardoor een hele oever van series/parallelle componenten een gevaarlijke elektrolytafvoer verwijdert. Filmcondensatoren kunnen ook zelfgenees, maar systeembetrouwbaarheid onder authentieke omstandigheden van incidentele stress kan heel verschillen tussen de twee typen. Zoals bij alle componenten, kunnen hoge vochtigheidsniveaus de prestaties van de filmcondensator afbreken, en voor de beste betrouwbaarheid moet dit goed worden gecontroleerd. Een andere praktische differentiator is het gemak van montagefilmcondensatoren - ze zijn verkrijgbaar in geïsoleerde, volumetrisch efficiënte rechthoekige doosbehuizingen met een verscheidenheid aan elektrische verbindingsopties, van schroefterminals tot nokken, fastons en busbalken, vergeleken met de typische ronde metalen blikjes elektrolytics. De niet-polaire diëlektrische film geeft reverse-proof montage en maakt gebruik mogelijk in toepassingen waar AC wordt toegepast, zoals bij het filteren van de omvormer.
Natuurlijk zijn er veel filmcondensator diëlektrische typen beschikbaar, en figuur 1 geeft een samenvatting van hun vergelijkende prestaties [1]. Polypropyleenfilm is de totale winnaar wanneer verliezen en betrouwbaarheid onder stress de belangrijkste overwegingen zijn vanwege de lage DF en hoge diëlektrische afbraak per dikte van eenheid. De andere films kunnen beter zijn voor temperatuurclassificatie en capaciteit/volume, met hogere diëlektrische constanten en de beschikbaarheid van dunnere films, en bij lage spanningen wordt polyester nog steeds veel gebruikt. De DF is bijzonder belangrijk en gedefinieerd als ESR/capacitieve reactantie en wordt meestal gespecificeerd bij 1 kHz en 25 ° C. Een lage DF in vergelijking met andere diëlektrica impliceert een lagere verwarming en is een manier om verliezen per microfarad te vergelijken. DF varieert enigszins met frequentie en temperatuur, maar polypropyleen presteert het beste. Figuren 2 en 3 tonen de typische plots.
Er zijn twee hoofdtypen van de constructies van de filmcondensator die folie gebruiken en metallisatie worden afgezet, zoals weergegeven in figuur 4. Metaalfolie die ongeveer 5 nm dik is, wordt meestal tussen diëlektrische lagen gebruikt voor zijn hoge piekstroomcapaciteit, maar het is niet zelfgenees na duurstress. Metalized film wordt gevormd door een vacuüm en door typisch Al bij 1.200 ° C op de film af te zetten tot een dikte van ongeveer 20-50 nm met de temperatuur van de film variërend van −25 tot -35 ° C,
Fig 3 De variatie van de DF met de frequentie voor polypropyleenfilm.
Fig 4 De filmcondensatorconstructie
Hoewel zink (Zn) en Al-Zn-legeringen ook kunnen worden gebruikt. Dit proces zorgt voor zelfherstel, waarbij storingen op elk moment in de diëlektrische intensieve verwarming, misschien tot 6000 ° C, veroorzaken, waardoor er een plasma wordt gevormd. De metallisatie rond het afbraakkanaal wordt verdampt, met de snelle expansie van het plasma dat de ontlading doorbladert, die het defect isoleert en de condensator volledig functioneel laat. De vermindering van de capaciteit is minimaal maar additief in de loop van de tijd, waardoor het een nuttige indicator is voor het verouderen van de component.
Een veel voorkomende methode voor verdere betrouwbaarheidsverbetering is het segmenteren van de metallisatie op de film in gebieden, misschien miljoenen, met smalle poorten die de stroom in de segmenten voeden en fungeren als zekeringen voor grove overbelastingen. De vernauwing van het totale stroompad naar de metallisatie vermindert wel de piekstroomafhandeling van de component, maar door de geïntroduceerde extra veiligheidsmarge kan de condensator nuttig worden beoordeeld bij hogere spanningen.
Modern polypropyleen heeft een diëlektrische sterkte van ongeveer 650 V/µm en is verkrijgbaar in diktes van ongeveer 1,9 µm en omhoog, dus condensatorspanningsbeoordelingen tot verschillende kilovolt zijn routinematig haalbaar, met sommige delen zelfs beoordeeld bij 100 kV. Bij hogere spanningen wordt het fenomeen van gedeeltelijke ontlading (PD), ook bekend als corona -ontlading, echter een factor. PD is de hoogspanningsafbraak van microvoïden in het grootste deel van het materiaal of in de luchthonden tussen materiaallagen, waardoor een gedeeltelijk kortsluiting van het totale isolatiepad wordt veroorzaakt. PD (corona -ontlading) laat een lichte koolstoftrace achter; Het initiële effect is onmerkbaar, maar kan zich in de loop van de tijd ophopen totdat een bruto en plotselinge afbraak van de verzwakte, koolstoftracedisolatie optreedt. Het effect wordt beschreven door de Paschen -curve, getoond in figuur 5, en heeft een karakteristieke oprichting en uitstervenspanning. De figuur toont twee voorbeeldveldsterkten. Punten boven de Paschen -curve, A, zullen waarschijnlijk een PD -afbraak produceren.
Fig 5 De Paschen -curve en voorbeeld van elektrische veldsterktes.
Om het effect tegen te gaan, worden zeer hoge spanningsrede condensatoren geïmpregneerd om lucht uit te sluiten van laaginterfaces. Lagere spanningstypen zijn meestal gevuld met hars, wat ook helpt bij mechanische robuustheid. Een andere oplossing is om condensatoren van series in enkele behuizingen te vormen, waardoor de spanningsdaling over elk tot ver onder de beginspanning effectief wordt verminderd. PD is een effect als gevolg van de intensiteit van de elektrische veld, dus het verhogen van de diëlektrische dikte om de spanningsgradiënt te verminderen is altijd mogelijk, maar verhoogt de totale grootte van de condensator. Er zijn condensatorontwerpen die folies en metallisatie combineren om een compromis te bieden tussen piekstroomcapaciteit en zelfherstel. De metallisatie kan ook worden beoordeeld aan de rand van de condensator, zodat dikker materiaal aan de randen een betere stroomafhandeling en robuustere beëindiging geeft door solderen of lassen, en de beoordeling kan continu of getrapt worden.
Het is misschien nuttig om een stap terug te doen en te observeren hoe het gebruik van al-elektrolytische condensatoren voordelig is. Een voorbeeld is in een 90%-efficiënte, 1-kW off-line converter met een vermogen-factor gecorrigeerde front-end, die een rit van 20 m nodig heeft door, zoals weergegeven in figuur 6. Het heeft meestal een interne DC-bus met nominale spanning, VN, van 400 V en een drop-out spanning, VD, VD, VD, onder welke output regulering verliest.
De bulkcondensator C1 levert energie om een constant uitgangsvermogen te handhaven tijdens de opgegeven rit-door-tijdstip terwijl de busspanning na een storing daalt van 400 naar 300 V. Wiskundig gezien po t/h = 1/2 c (vn²-vd²) of c = 2*1000*0.02/0.9*(400²-300²) = 634NF bij 450 V-rating.
Als Al-elektrolytische condensatoren worden gebruikt, dan resulteert de vergelijking in een vereist volume van ongeveer 52 cm3 (d.w.z. 3 op 3), bijvoorbeeld als de TDK-EPCOS B43508 -serie wordt gebruikt. Filmcondensatoren daarentegen zouden onpraktisch groot zijn, waarbij misschien 15 parallel nodig is met een totaal volume van 1500 cm3 (d.w.z. 91 in 3) als de TDK-Epcos B32678-serie wordt gebruikt. Het verschil is duidelijk, maar de keuze zou veranderen als de condensator nodig was om de rimpelspanning op een DC -lijn te regelen. Neem een soortgelijk voorbeeld waarbij de 400-V busspanning van een batterij is, dus de hold-up is niet vereist. Er is echter behoefte om het rimpeleffect te verminderen tot bijvoorbeeld 4 V wortelgemiddelde kwadratische (RMS) van 80 A RMS hoogfrequente stroompulsen genomen door een stroomafwaartse converter bij 20 kHz. Dit kan een toepassing voor elektrische voertuigen zijn en de vereiste capaciteit kan worden benaderd van C = IRMS/VRIPPE.2.π.f = 80/4*2*3.14*20*1000 = 160 UF bij 450 V -beoordeling.
Fig 6 De condensator voor een ritje (houd omhoog). HVDC: hoogspanning DC.
Een elektrolytisch bij 180 µF, 450 V kan een ripplecurrent rating hebben van slechts ongeveer 3,5 A RMS bij 60 ° C, inclusief frequentiecorrectie (EPCOS B43508 -serie). Aldus zouden voor 80 A parallel 23 condensatoren nodig zijn, waardoor een onnodige 4.140 µF met een totaal volume van 1.200 cm3 (d.w.z. 73 in 3) wordt geproduceerd. Dit voldoet aan de soms geciteerde 20 mA/µF rimpel-stroom-rating voor elektrolytica. Als filmcondensatoren worden overwogen, nu, vier parallel van de EPCOS B32678 Serie geeft een 132-A RMS rimpel-stroom rating in een volume van 402 cm3 (d.w.z. 24,5 in 3). Als de temperatuur beperkt is tot, bijvoorbeeld, minder dan 70 ° C, kan een kleinere casusgrootte nog worden gekozen. Zelfs als we op andere gronden elektrolytica kiezen, kan de overtollige capaciteit andere problemen veroorzaken, zoals het beheersen van de energie in de stroomstroom. Natuurlijk, als er tijdelijke overspanningen zouden kunnen optreden, zouden de filmcondensatoren veel robuuster zijn in de toepassing. Een voorbeeld hiervan zou in lichte tractie zijn, waarbij een intermitterende verbinding met een bovenleiding overspanning veroorzaakt op de DC-Link-verbinding.
Dit voorbeeld is typerend voor veel omgevingen tegenwoordig, zoals in ononderbroken stroomvoorzieningssystemen, wind- en zonne-energie, lassen en omvormers met rooster. De kostenverschillen tussen film en Al -elektrolytica kunnen worden samengevat in cijfers die in 2013 zijn gepubliceerd [2]. De typische kosten voor een DC-BUS van gerectificeerde 440 VAC zijn te vinden in tabel 1.
Andere toepassingen zijn voor ontkoppeling en snubbercircuits in converters of omvormers. Hier moet de constructie van de film/folie worden gebruikt als de grootte het toelaat, omdat gemetaliseerde typen speciale ontwerp- en productiestappen vereisen. Als ontkoppeling wordt de condensator over de DC-bus geplaatst om een laag inductiepad te bieden voor circulerende hoogfrequente stromen, meestal 1 µF per 100 A geschakeld. Zonder de condensator circuleert de stroom door lussen met een hogere inductantiegebied, waardoor tijdelijke spanningen (VTR) worden veroorzaakt volgens het volgende: vtr = -ldi/dt.
Met stroomveranderingen van 1.000 A/µs mogelijk, kunnen slechts enkele nanohenries inductie aanzienlijke spanningen veroorzaken. Sporen voor gedrukte circuitboard kunnen een inductie hebben van ongeveer 1 NH/mm, waardoor in deze situatie ongeveer 1 VTR/mm wordt geboden. Het is dus belangrijk dat verbindingen zo kort mogelijk zijn. Om DV/ DT over schakelaars te regelen, worden de condensator en een weerstands-/ diodetwerk parallel geplaatst met een IGBT of MOSFET (figuur 7).
Dit vertraagt rinkelen, regelt elektromagnetische interferentie (EMI) en voorkomt onecht omschakelen vanwege high
Fig 7 De schakelaar snubbelt. Fig 8 De filmcondensatoren als EMI -onderdrukking. Fig. 9 De filmcondensatoren bij MOC-drive EMC-filtering.
DV/DT, met name in IGBT's. Een uitgangspunt maakt de snubbercapaciteit vaak ongeveer twee keer de som van de schakeluitgangscapaciteit en montagecapaciteit, en de weerstand wordt vervolgens gekozen om het rinkelen kritisch te dempen. Meer optimale ontwerpbenaderingen zijn geformuleerd.
Veiligheidsgerelateerde polypropyleencondensatoren worden vaak gebruikt over elektriciteitsleidingen om de differentiaalmodus EMI te verminderen (figuur 8). Hun vermogen om voorbijgaande overspanningen en zelfgenees te weerstaan, is cruciaal. Condensatoren in deze posities worden beoordeeld als X1 of X2, die respectievelijk 4- en 2,5 kV transiënten kunnen weerstaan. De gebruikte waarden bevinden zich vaak in de microfarads om naleving van de typische elektromagnetische compatibiliteit (EMC) -standaarden bij hoge vermogensniveaus te bereiken. Film Y-type condensatoren kunnen ook worden gebruikt in line-to-earth-posities om de gewone modusruis te verzwakken waarbij de CA-pacitantiewaarde beperkt is vanwege lekstroomoverwegingen (figuur 8). Y1- en Y2-versies zijn beschikbaar voor respectievelijk 8- en 5-kV tijdelijke beoordelingen. Lage verbindingsinductanties van filmcondensatoren Help ook om zelfstandige te houden.
Een toenemende aanvraag voor niet-gepolariseerde condensatoren is om laagdoorlaatfilters te vormen met serie-inductoren om highferquentie-harmonischen in de AC-output van schijven en omvormers te verzwakken (figuur 9). Polypropyleencondensatoren worden vaak gebruikt voor hun betrouwbaarheid, hoge rimpelstroombeoordeling en een goede volumetrische efficiëntie in de toepassing, en de inductoren en condensatoren worden vaak samen in één module verpakt. Belastingen zoals motoren zijn vaak ver van de aandrijfeenheid en filters worden gebruikt om systemen in staat te stellen aan de EMC -vereisten te voldoen en stress op bekabeling en motoren te verminderen van overmatige DV/DT -niveaus.
