De diverse verzameling condensatortypes is de afgelopen jaren niet veel veranderd, maar de toepassingen zijn dat zeker wel. In dit artikel bekijken we hoe condensatoren worden gebruikt in vermogenselektronica en vergelijken we de beschikbare technologieën. Filmcondensatoren tonen hun voordelen in aankomende toepassingen zoals elektrische voertuigen , alternatieve energie-omzetting, en omvormers in aandrijvingen . Aluminium (Al)-elektrolyten zijn echter nog steeds belangrijk wanneer de dichtheid van energieopslag de belangrijkste vereiste is.
Al-elektrolitische of filmcondensator?
Het is gemakkelijk om te ontslaan Alle elektrolytica als de technologie van gisteren, maar het verschil in prestaties tussen deze en het filmalternatief is niet altijd zo duidelijk. In termen van opgeslagen energiedichtheid, d.w.z. joules/kubieke centimeter, liggen ze nog steeds voor op standaardfilmcondensatoren, hoewel exotische varianten zoals gesegmenteerde hoogkristallijne condensatoren gemetalliseerd polypropyleen zijn vergelijkbaar. Bovendien behouden Al-elektrolytica hun rimpelstroomwaarde bij hogere temperaturen beter dan concurrerende filmcondensatoren. Zelfs de waargenomen levensduur- en betrouwbaarheidsproblemen zijn niet zo significant als Al-elektrolytica op passende wijze worden verlaagd. Alle elektrolyten zijn nog steeds erg aantrekkelijk wanneer de doorwerking van een DC-busspanning bij stroomuitval vereist is zonder back-upbatterij. Wanneer bijvoorbeeld de kosten een drijvende factor zijn, is het bijzonder moeilijk om te anticiperen dat filmcondensatoren het overnemen van de bulkcondensatoren in standaard off-line voedingen.
Film wint op veel manieren
Filmcondensatoren hebben verschillende belangrijke voordelen ten opzichte van andere condensatoren: equivalente serieweerstandswaarden (ESR) kunnen dramatisch lager zijn, wat leidt tot een veel betere rimpelstroombehandeling. De stootspanningswaarden zijn ook superieur, en misschien wel het belangrijkste is dat filmcondensatoren zichzelf kunnen herstellen
FIG 1 De condensatorfilmkarakteristieken.
FIG 2 De variatie van de DF met de temperatuur voor polypropyleenfilm.
Na stress, wat leidt tot een betere systeembetrouwbaarheid en levensduur. Het vermogen tot zelfgenezing hangt echter af van het stressniveau, de piekwaarden en de herhalingsfrequentie. Bovendien is eventueel catastrofaal falen nog steeds mogelijk als gevolg van koolstofafzetting en bijkomende schade door de plasmaboog die wordt gegenereerd tijdens het oplossen van fouten. Deze kenmerken komen overeen met de moderne toepassingen van stroomconversie in elektrische voertuigen en alternatieve energiesystemen waarbij er geen vertraging nodig is bij uitval of tussen lijnfrequentie-rimpelpieken. De belangrijkste vereiste is het vermogen om hoogfrequente rimpelstromen op te wekken en te laten zinken die honderden, zo niet duizenden versterkers kunnen bereiken, terwijl aanvaardbare verliezen en een hoge betrouwbaarheid behouden blijven. Er is ook een beweging naar hogere busspanningen om de ohmse verliezen bij bepaalde vermogensniveaus te verminderen. Dit zou een serieschakeling van Al-elektrolytica betekenen met hun inherente maximale spanning van ongeveer 550 V. Om een spanningsonbalans te voorkomen, kan het nodig zijn om dure condensatoren met aangepaste waarden te kiezen en spanningsbalanceringsweerstanden te gebruiken met de bijbehorende verliezen en kosten.
Het betrouwbaarheidsprobleem is niet eenvoudig, hoewel elektrolytica onder gecontroleerde omstandigheden vergelijkbaar zijn met powerfilm, wat betekent dat ze doorgaans slechts 20% van de overspanning kunnen weerstaan voordat er schade optreedt. Filmcondensatoren zijn daarentegen gedurende beperkte perioden bestand tegen misschien wel 100% overspanning. Bij een storing kunnen elektrolyten kortsluiten en exploderen, waardoor een hele reeks serie-/parallelle componenten kapot gaat met een gevaarlijke elektrolytontlading. Filmcondensatoren kunnen ook zichzelf herstellen, maar de systeembetrouwbaarheid onder authentieke omstandigheden van incidentele stress kan tussen de twee typen sterk verschillen. Zoals bij alle componenten kan een hoge luchtvochtigheid de prestaties van de filmcondensator verslechteren, en voor de beste betrouwbaarheid moet dit goed worden gecontroleerd. Een andere praktische onderscheidende factor is het gemak waarmee filmcondensatoren kunnen worden gemonteerd: ze zijn verkrijgbaar in geïsoleerde, volumetrisch efficiënte rechthoekige doosbehuizingen met een verscheidenheid aan elektrische aansluitmogelijkheden, van schroefklemmen tot kabelschoenen, fastons en verzamelrails, vergeleken met de typische ronde metalen blikken van elektrolytica. De niet-polaire diëlektrische film zorgt voor een omgekeerde montage en maakt gebruik mogelijk in toepassingen waarbij wisselstroom wordt toegepast, zoals bij het filteren van omvormeruitgangen.
Uiteraard zijn er veel diëlektrische typen filmcondensatoren verkrijgbaar, en figuur 1 geeft een samenvatting van hun vergelijkende prestaties [1]. Polypropyleenfilm is de algemene winnaar wanneer verliezen en betrouwbaarheid onder stress de belangrijkste overwegingen zijn vanwege de lage DF en de hoge diëlektrische doorslag per dikte-eenheid. De andere films kunnen beter zijn qua temperatuurbestendigheid en capaciteit/volume, met hogere diëlektrische constanten en de beschikbaarheid van dunnere films, en bij lage spanningen wordt polyester nog steeds algemeen gebruikt. De DF is bijzonder belangrijk en wordt gedefinieerd als ESR/capacitieve reactantie, en wordt gewoonlijk gespecificeerd op 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 afhankelijk van de frequentie en temperatuur, maar polypropyleen presteert het beste. Figuren 2 en 3 tonen de typische plots.
Er zijn twee hoofdtypen filmcondensatorconstructies die gebruik maken van folie en afgezette metallisatie, zoals weergegeven in figuur 4. Metaalfolie met een dikte van ongeveer 5 nm wordt doorgaans gebruikt tussen diëlektrische lagen vanwege het hoge piekstroomvermogen, maar dit gebeurt niet vanzelf. -genezen na langdurige stress. Gemetalliseerde film wordt gevormd door een vacuüm en door doorgaans Al bij 1200 °C op de film af te zetten tot een dikte van ongeveer 20-50 nm, waarbij de temperatuur van de film varieert van −25 tot −35 °C.
FIG 3 De variatie van de DF met de frequentie voor polypropyleenfilm.
FIG 4 De constructie van de filmcondensator
hoewel zink (Zn) en Al-Zn-legeringen ook kunnen worden gebruikt. Dit proces maakt zelfgenezing mogelijk, waarbij storingen op elk punt in het diëlektricum lokale intense verhitting veroorzaken, misschien wel tot 6.000 ° C, waardoor een plasma ontstaat. De metallisatie rond het doorslagkanaal wordt verdampt, waarbij de snelle expansie van het plasma de ontlading dooft, waardoor het defect wordt geïsoleerd en de condensator volledig functioneel blijft. De vermindering van de capaciteit is minimaal, maar additief in de loop van de tijd, waardoor het een nuttige indicator is voor de veroudering van het onderdeel.
Een gebruikelijke methode voor verdere verbetering van de betrouwbaarheid is het segmenteren van de metallisatie op de film in gebieden, misschien wel miljoenen, met smalle poorten die de stroom naar de segmenten leiden en fungeren als zekeringen voor grove overbelastingen. De vernauwing van het totale stroompad naar de metallisatie vermindert de piekstroomverwerking van de component, maar door de extra geïntroduceerde veiligheidsmarge kan de condensator bruikbaar zijn 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 meer, dus condensatorspanningen tot enkele kilovolt zijn routinematig haalbaar, waarbij sommige onderdelen zelfs een vermogen van 100 kV hebben. Bij hogere spanningen wordt echter het fenomeen gedeeltelijke ontlading (PD), ook wel corona-ontlading genoemd, een factor. PD is de doorslag onder hoogspanning van microholtes in de bulk van het materiaal of in de luchtspleten tussen materiaallagen, waardoor een gedeeltelijke kortsluiting van het totale isolatiepad ontstaat. PD (corona-ontlading) laat een licht koolstofspoor achter; het initiële effect is onmerkbaar, maar kan zich in de loop van de tijd ophopen totdat een grove en plotselinge afbraak van de verzwakte, met koolstof getraceerde isolatie optreedt. Het effect wordt beschreven door de Paschen-curve, weergegeven in figuur 5, en heeft een karakteristieke aanvangs- en uitdovingsspanning. De figuur toont twee voorbeelden van veldsterktes. Punten boven de Paschen-curve, A, zullen waarschijnlijk een PD-uitsplitsing veroorzaken.
AFBEELDING 5 De Paschen-curve en voorbeelden van elektrische veldsterktes.
Om dit effect tegen te gaan, zijn condensatoren met een zeer hoge spanning met olie geïmpregneerd om lucht uit de laaginterfaces te weren. Typen met een lagere spanning zijn meestal met hars gevuld, wat ook de mechanische robuustheid ten goede komt. Een andere oplossing is om seriecondensatoren in enkele behuizingen te vormen, waardoor de spanningsval over elke behuizing effectief wordt verminderd tot ruim onder de aanvangsspanning. PD is een effect als gevolg van de intensiteit van het elektrische veld, dus het vergroten van de diëlektrische dikte om de spanningsgradiënt te verkleinen is altijd mogelijk, maar vergroot de totale grootte van de condensator. Er zijn condensatorontwerpen die folies en metallisatie combineren om een compromis te bieden tussen piekstroomvermogen en zelfherstel. De metallisatie kan ook worden gegradueerd vanaf de rand van de condensator, zodat dikker materiaal aan de randen een betere stroombehandeling en een robuustere afsluiting door solderen of lassen geeft, en de gradatie kan continu of stapsgewijs zijn.
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 een 90% efficiënte, 1 kW offline converter met een voor de arbeidsfactor gecorrigeerde front-end, die een rit van 20 ms nodig heeft, zoals weergegeven in afbeelding 6. Deze heeft doorgaans een interne gelijkstroombus met nominale spanning, Vn, van 400 V en een uitvalspanning, Vd, van 300 V, waaronder de uitgangsregeling verloren gaat.
De bulkcondensator C1 levert energie om een constant uitgangsvermogen te behouden gedurende de gespecificeerde doorlooptijd, wanneer de busspanning na een uitval daalt van 400 naar 300 V. Wiskundig gezien is Po t/h =1/2 C(Vn²-Vd²) of C=2*1000*0,02/0,9*(400²-300²) =634nF bij een nominale spanning van 450 V.
Als Al-elektrolytische condensatoren worden gebruikt, resulteert de vergelijking in een vereist volume van ongeveer 52 cm3 (d.w.z. 3 op 3), bijvoorbeeld als de TDK-EPCOS Er wordt gebruik gemaakt van de B43508-serie. Daarentegen zouden filmcondensatoren onpraktisch groot zijn en zouden er misschien 15 parallelle condensatoren nodig zijn bij een totaal volume van 1.500 cm3 (d.w.z. 91 in 3) als de TDK-EPCOS B32678-serie wordt gebruikt. Het verschil ligt voor de hand, maar de keuze zou veranderen als de condensator de rimpelspanning op een gelijkstroomlijn zou moeten regelen. Neem een soortgelijk voorbeeld waarbij de busspanning van 400 V afkomstig is van een batterij, zodat er geen vertraging nodig is. Er bestaat echter behoefte om het rimpeleffect te reduceren tot bijvoorbeeld 4 V root mean squared (rms) van hoogfrequente stroompulsen van 80 A rms die worden afgenomen door een stroomafwaartse omzetter bij 20 kHz. Dit kan een elektrische voertuigtoepassing zijn en de vereiste capaciteit kan worden geschat op basis van C=irms/Vrippe.2.Π.f=80/4*2*3.14*20*1000=160 uF bij een nominale spanning van 450 V.
FIG 6 De condensator voor een ritje door (hold up). HVDC: hoogspanningsgelijkstroom.
Een elektrolyt bij 180 µF, 450 V kan een rimpelstroomwaarde hebben van slechts ongeveer 3,5 A rms bij 60 °C, inclusief frequentiecorrectie (EPCOS B43508-serie). Voor 80 A zouden dus 23 condensatoren parallel nodig zijn, wat een onnodige 4.140 µF zou produceren met een totaal volume van 1.200 cm3 (d.w.z. 73 in 3). Dit voldoet aan de soms genoemde rimpelstroomwaarde van 20 mA/μF voor elektrolyten. Als filmcondensatoren worden beschouwd, zijn er nu slechts vier parallel geschakeld EPCOS B32678 -series geven een rimpelstroomwaarde van 132 A RMS in een volume van 402 cm3 (d.w.z. 24,5 in 3 ). Als de temperatuur beperkt is tot bijvoorbeeld minder dan 70 °C omgevingstemperatuur, kan nog steeds een kleinere behuizingsgrootte worden gekozen. Zelfs als we op andere gronden voor elektrolytica kiezen, kan de overtollige capaciteit andere problemen veroorzaken, zoals het beheersen van de energie in de inschakelstroom. Als er voorbijgaande overspanningen zouden kunnen optreden, zouden de filmcondensatoren natuurlijk veel robuuster zijn in de toepassing. Een voorbeeld hiervan is bij lichte tractie, waarbij een intermitterende verbinding met een bovenleiding overspanning op de DC-tussenkring veroorzaakt.
Dit voorbeeld is typerend voor veel hedendaagse omgevingen, zoals in ononderbroken stroomvoorzieningssystemen, wind- en zonne-energie, lassen en netgekoppelde omvormers. 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 vanaf gelijkgerichte 440 Vac zijn te vinden in Tabel 1.
Andere toepassingen zijn voor ontkoppeling en snubbercircuits in omvormers of omvormers. Hier moet een film/folie-constructie worden gebruikt als de grootte dit toelaat, omdat gemetalliseerde typen speciale ontwerp- en productiestappen vereisen. Als ontkoppeling wordt de condensator over de DC-bus geplaatst om een pad met lage inductie te bieden voor het circuleren van hoogfrequente stromen, doorgaans 1 µF per 100 A geschakeld. Zonder de condensator circuleert de stroom door lussen met een hogere inductie, waardoor transiënte spanningen (Vtr) ontstaan die als volgt zijn: Vtr =-Ldi/dt.
Omdat stroomveranderingen van 1.000 A/μs mogelijk zijn, kunnen slechts enkele nanometers aan inductantie aanzienlijke spanningen produceren. Sporen op printplaten kunnen een inductie hebben van ongeveer 1 nH/mm, wat in deze situatie dus ongeveer 1 Vtr/mm oplevert. Het is dus belangrijk dat de verbindingen zo kort mogelijk zijn. Om dV/dt over schakelaars te regelen, worden de condensator en een weerstand/diodenetwerk parallel geplaatst met een IGBT of MOSFET (Figuur 7).
Dit vertraagt het belsignaal, controleert elektromagnetische interferentie (EMI) en voorkomt ongewenst schakelen als gevolg van hoge frequenties
FIG 7 De schakelaar snauwt. FIG 8 De filmcondensatoren als EMI-onderdrukking. FIG 9 De filmcondensatoren bij EMC-filtering door motoraandrijving.
dV/dt, vooral in IGBT's. Een uitgangspunt is vaak om de snubbercapaciteit ongeveer tweemaal zo groot te maken als de som van de uitgangscapaciteit van de schakelaar en de montagecapaciteit, en de weerstand wordt vervolgens gekozen om eventuele rinkelen kritisch te dempen. Er zijn meer optimale ontwerpbenaderingen geformuleerd.
Op veiligheid beoordeelde polypropyleencondensatoren worden vaak gebruikt in elektriciteitsleidingen om EMI in differentiële modus te verminderen (Afbeelding 8). Hun vermogen om voorbijgaande overspanningen te weerstaan en zichzelf te herstellen is van cruciaal belang. Condensatoren in deze posities hebben de classificatie X1 of X2, die respectievelijk bestand zijn tegen transiënten van 4 en 2,5 kV. De gebruikte waarden liggen vaak in de microfarads om te voldoen aan de typische normen voor elektromagnetische compatibiliteit (EMC) bij hoge vermogensniveaus. Film Y-type condensatoren kunnen ook worden gebruikt in lijn-naar-aarde-posities om common-mode-ruis te dempen waarbij de capaciteitswaarde beperkt is vanwege lekstroomoverwegingen (Afbeelding 8). Y1- en Y2-versies zijn beschikbaar voor respectievelijk 8 en 5 kV transiëntwaarden. Lage aansluitinducties van filmcondensatoren helpen ook om de zelfresonantie hoog te houden.
Een toenemende toepassing van niet-gepolariseerde condensatoren is het vormen van laagdoorlaatfilters met serie-inductoren om hoogfrequente harmonischen in de AC-uitgang van aandrijvingen en omvormers te verzwakken (Afbeelding 9). Polypropyleencondensatoren worden vaak gebruikt vanwege hun betrouwbaarheid, hoge rimpelstroomwaarde en goede volumetrische efficiëntie in de toepassing, en de inductoren en condensatoren worden vaak samen in één module verpakt. Belastingen zoals motoren bevinden zich vaak op enige afstand van de aandrijfeenheid, en filters worden gebruikt om systemen in staat te stellen aan de EMC-vereisten te voldoen en de spanning op bekabeling en motoren door overmatige dV/dt-niveaus te verminderen.
