Rôznorodá zbierka typov kondenzátorov sa za posledné roky príliš nezmenila, ale aplikácie určite áno. V tomto článku sa pozrieme na to, ako sa kondenzátory používajú vo výkonovej elektronike a porovnáme dostupné technológie. Filmové kondenzátory ukazujú svoje výhody v pripravovaných aplikáciách ako napr elektrické vozidlá , premena energie z alternatívnej energie a meniče v pohonoch . Elektrolytika hliníka (Al) je však stále dôležitá, keď je hlavnou požiadavkou hustota akumulácie energie.
Al elektrolytický alebo filmový kondenzátor?
Je ľahké odmietnuť Al elektrolyty ako včerajšia technológia, ale rozdiel vo výkone medzi nimi a filmovou alternatívou nie je vždy taký jasný. Z hľadiska hustoty uloženej energie, t. metalizovaný polypropylén sú porovnateľné. Al elektrolyty si tiež udržiavajú svoje hodnotenie zvlneného prúdu pri vyšších teplotách lepšie ako konkurenčné filmové kondenzátory. Dokonca ani problémy so životnosťou a spoľahlivosťou nie sú také významné, keď sú Al elektrolyty primerane znížené. Al elektrolyty sú stále veľmi atraktívne tam, kde je potrebný prechod jednosmerného napätia zbernice pri výpadku prúdu bez záložnej batérie. Napríklad, keď cena je hnacím faktorom, je obzvlášť ťažké predvídať, že filmové kondenzátory prevezmú veľké kondenzátory v komoditných off-line napájacích zdrojoch.
Film víťazí v mnohých smeroch
Filmové kondenzátory majú niekoľko významných výhod oproti iným kondenzátorom: hodnotenie ekvivalentného sériového odporu (ESR) môže byť výrazne nižšie, čo vedie k oveľa lepšej manipulácii s vlnovým prúdom. Hodnoty prepätia sú tiež vynikajúce a čo je možno najdôležitejšie, filmové kondenzátory sa dokážu samoliečiť
Obr Vlastnosti filmu kondenzátora.
Obr Zmena DF s teplotou pre polypropylénový film.
Po strese, čo vedie k lepšej spoľahlivosti a životnosti systému. Schopnosť samoliečby však závisí od úrovne stresu, špičkových hodnôt a frekvencie opakovania. Okrem toho je stále možné prípadné katastrofické zlyhanie v dôsledku usadzovania uhlíka a vedľajšieho poškodenia plazmovým oblúkom generovaným počas odstraňovania porúch. Tieto charakteristiky zodpovedajú moderným aplikáciám premeny energie v elektrických vozidlách a alternatívnych energetických systémoch, kde nie sú potrebné žiadne zdržania pri výpadkoch alebo medzi špičkami zvlnenia frekvencie vedenia. Hlavnou požiadavkou je schopnosť zdroja a pohlcovania vysokofrekvenčných zvlnených prúdov, ktoré môžu dosiahnuť stovky, ak nie tisíce ampérov, pri zachovaní tolerovateľných strát a vysokej spoľahlivosti. Dochádza tiež k posunu k vyšším napätiam zbernice, aby sa znížili ohmické straty pri daných úrovniach výkonu. To by znamenalo sériové pripojenie Al elektrolytov s ich vlastným maximálnym menovitým napätím približne 550 V. Aby sa predišlo napäťovej nerovnováhe, môže byť potrebné zvoliť drahé kondenzátory so zhodnými hodnotami a použiť napäťové vyrovnávacie odpory s ich súvisiacimi stratami a nákladmi.
Problém spoľahlivosti nie je jednoduchý, hoci za kontrolovaných podmienok sú elektrolyty porovnateľné s napájacím filmom, čo znamená, že zvyčajne vydržia iba 20 % prepätia, kým dôjde k poškodeniu. Na rozdiel od toho, filmové kondenzátory môžu odolať možno 100% prepätiu po obmedzenú dobu. Pri zlyhaní môže dôjsť ku skratu a výbuchu elektrolytu, ktorý zničí celý rad sériových/paralelných komponentov s nebezpečným výbojom elektrolytu. Filmové kondenzátory sa môžu tiež samoliečiť, ale spoľahlivosť systému v autentických podmienkach občasného stresu môže byť medzi týmito dvoma typmi veľmi odlišná. Rovnako ako u všetkých komponentov, vysoká vlhkosť môže zhoršiť výkon filmového kondenzátora a pre najlepšiu spoľahlivosť by to malo byť dobre kontrolované. Ďalším praktickým rozlišovacím znakom je jednoduchosť montáže fóliových kondenzátorov – sú dostupné v izolovaných, objemovo účinných pravouhlých krabicových krytoch s rôznymi možnosťami elektrického pripojenia, od skrutkových svoriek po oká, fastony a zbernice, v porovnaní s typickými okrúhlymi kovovými plechovkami elektrolyty. Nepolárny dielektrický film poskytuje odolnú montáž a umožňuje použitie v aplikáciách, kde sa používa striedavý prúd, ako napríklad pri filtrovaní na výstupe meniča.
Samozrejme, existuje veľa dostupných typov dielektrík filmových kondenzátorov a obrázok 1 poskytuje súhrn ich porovnateľných výkonov [1]. Polypropylénová fólia je celkovým víťazom, keď sú hlavnými faktormi straty a spoľahlivosť pri namáhaní kvôli jej nízkemu DF a vysokému dielektrickému rozpadu na jednotku hrúbky. Ostatné fólie môžu byť lepšie z hľadiska teplotného hodnotenia a kapacity/objemu, s vyššími dielektrickými konštantami a dostupnosťou tenších vrstiev a pri nízkych napätiach sa polyester stále bežne používa. DF je obzvlášť dôležité a je definované ako ESR/kapacitná reaktancia a zvyčajne sa uvádza pri 1 kHz a 25 °C. Nízky DF v porovnaní s inými dielektrikami znamená nižšie zahrievanie a je to spôsob porovnania strát na mikrofarad. DF sa mierne mení s frekvenciou a teplotou, ale polypropylén funguje najlepšie. Obrázky 2 a 3 ukazujú typické grafy.
Existujú dva hlavné typy konštrukcií filmových kondenzátorov, ktoré používajú fóliu a nanesenú metalizáciu, ako je znázornené na obrázku 4. Kovová fólia, ktorá má hrúbku približne 5 nm, sa zvyčajne používa medzi dielektrickými vrstvami pre svoju schopnosť vysokého špičkového prúdu, ale nie je samoúčelná. - uzdraviť sa po strese. Metalizovaný film sa vytvára vákuom a typickým ukladaním Al pri 1200 °C na film do hrúbky približne 20–50 nm s teplotou filmu v rozsahu od -25 do -35 °C,
Obr Variácia DF s frekvenciou pre polypropylénový film.
Obr Konštrukcia filmového kondenzátora
hoci možno použiť aj zliatiny zinku (Zn) a Al-Zn. Tento proces umožňuje samoliečenie, kde poruchy v ktoromkoľvek bode dielektrika spôsobujú lokálne intenzívne zahrievanie, možno až na 6 000 °C, čo spôsobuje tvorbu plazmy. Metalizácia okolo prierazného kanála sa odparí, pričom rýchla expanzia plazmy zháša výboj, čím sa izoluje defekt a kondenzátor je plne funkčný. Zníženie kapacity je minimálne, ale časom aditívne, čo z neho robí užitočný indikátor starnutia súčiastky.
Bežnou metódou ďalšieho zvyšovania spoľahlivosti je segmentovať pokovovanie na fólii do oblastí, možno miliónov, s úzkymi bránami, ktoré privádzajú prúd do segmentov a pôsobia ako poistky pre veľké preťaženie. Zúženie celkovej dráhy prúdu k metalizácii síce znižuje manipuláciu so špičkovým prúdom komponentu, ale zavedená dodatočná bezpečnostná rezerva umožňuje, aby bol kondenzátor užitočne dimenzovaný pri vyšších napätiach.
Moderný polypropylén má dielektrickú pevnosť približne 650 V/µm a je dostupný v hrúbkach približne 1,9 µm a viac, takže hodnoty napätia kondenzátora až do niekoľkých kilovoltov sú bežne dosiahnuteľné, pričom niektoré časti majú dokonca menovité napätie 100 kV. Pri vyšších napätiach sa však stáva faktorom fenomén čiastočného výboja (PD), známy aj ako korónový výboj. PD je vysokonapäťový rozpad mikrodutín v objeme materiálu alebo vo vzduchových medzerách medzi vrstvami materiálu, čo spôsobuje čiastočný skrat na celkovej izolačnej ceste. PD (korónový výboj) zanecháva miernu uhlíkovú stopu; počiatočný efekt je nepostrehnuteľný, ale môže sa časom nahromadiť, až kým nedôjde k hrubému a náhlemu narušeniu oslabenej izolácie so stopovým uhlíkom. Účinok je opísaný Paschenovou krivkou zobrazenou na obrázku 5 a má charakteristické počiatočné a zánikové napätie. Obrázok ukazuje dva príklady intenzity poľa. Body nad Paschenovou krivkou, A, pravdepodobne vyvolajú rozpad PD.
Obr Paschenova krivka a príklad intenzity elektrického poľa.
Aby sa zabránilo tomuto účinku, kondenzátory s veľmi vysokým napätím sú impregnované olejom, aby sa vylúčil vzduch z rozhraní vrstiev. Nízkonapäťové typy majú tendenciu byť plnené živicou, čo tiež pomáha mechanickej odolnosti. Ďalším riešením je vytvoriť sériové kondenzátory v jednotlivých krytoch, čím sa účinne zníži pokles napätia na každom z nich výrazne pod počiatočné napätie. PD je efekt spôsobený intenzitou elektrického poľa, takže zvýšenie hrúbky dielektrika na zníženie gradientu napätia je vždy možné, ale zvyšuje celkovú veľkosť kondenzátora. Existujú konštrukcie kondenzátorov, ktoré kombinujú fólie a metalizáciu, aby poskytli kompromis medzi schopnosťou špičkového prúdu a samoliečbou. Pokovovanie môže byť tiež odstupňované od okraja kondenzátora, takže hrubší materiál na okrajoch poskytuje lepšiu manipuláciu s prúdom a robustnejšie ukončenie spájkovaním alebo zváraním a triedenie môže byť kontinuálne alebo stupňovité.
Možno je užitočné urobiť krok späť a zistiť, ako je výhodné používať Al-elektrolytické kondenzátory. Jedným z príkladov je off-line prevodník s výkonom 1 kW s účinnosťou 90 % a prednou časťou s korekciou účinníka, ktorý potrebuje 20 ms prechod, ako je znázornené na obrázku 6. Zvyčajne bude mať internú jednosmernú zbernicu s menovité napätie Vn 400 V a výpadkové napätie Vd 300 V, pod ktorým sa stráca regulácia výstupu.
Objemový kondenzátor C1 dodáva energiu na udržanie konštantného výstupného výkonu počas špecifikovanej doby prechodu, keď napätie zbernice po výpadku klesne zo 400 na 300 V. Matematicky, Po t/h = 1/2 C (Vn²-Vd²) alebo C=2*1000*0,02/0,9*(400²-300²) = 634 nF pri menovitých napätiach 450 V.
Ak Al-elektrolytické kondenzátory sa použije, potom rovnica vedie k požadovanému objemu približne 52 cm3 (t.j. 3 v 3), napr. TDK-EPCOS Používa sa séria B43508. Na rozdiel od toho by boli fóliové kondenzátory neprakticky veľké a vyžadovali by možno 15 paralelne pri celkovom objeme 1 500 cm3 (t. j. 91 v 3), ak sa použije séria TDK-EPCOS B32678. Rozdiel je zrejmý, ale výber by sa zmenil, ak by kondenzátor potreboval ovládať zvlnenie napätia na jednosmernom vedení. Zoberme si podobný príklad, kde je napätie zbernice 400 V z batérie, takže zdržanie nie je potrebné. Existuje však potreba znížiť efekt zvlnenia na napr. 4 V efektívna hodnota z vysokofrekvenčných prúdových impulzov 80 A rms odoberaných konvertorom v smere prúdenia pri 20 kHz. Mohlo by ísť o aplikáciu elektrického vozidla a požadovanú kapacitu je možné odhadnúť z C=irms/Vrippe.2.Π.f=80/4*2*3,14*20*1000=160 uF pri menovitých napätiach 450 V.
Obr Kondenzátor na prechod (držať). HVDC: vysokonapäťový jednosmerný prúd.
Elektrolytika pri 180 µF, 450 V môže mať menovitý zvlnený prúd len približne 3,5 A rms pri 60 °C, vrátane frekvenčnej korekcie (séria EPCOS B43508). Pre 80 A by teda bolo potrebných 23 kondenzátorov paralelne, čím by sa vytvorilo zbytočných 4 140 µF s celkovým objemom 1 200 cm3 (t. j. 73 v 3 ). To je v súlade s niekedy uvádzaným menovitým zvlneným prúdom 20 mA/µF pre elektrolyty. Ak vezmeme do úvahy filmové kondenzátory, teraz len štyri paralelne od EPCOS B32678 séria poskytuje menovitý zvlnený prúd 132 A rms v objeme 402 cm3 (t. j. 24,5 v 3 ). Ak je teplota obmedzená napr. na okolitú teplotu nižšiu ako 70 °C, je možné zvoliť menšiu veľkosť puzdra. Aj keď zvolíme elektrolyty z iných dôvodov, nadmerná kapacita by mohla spôsobiť ďalšie problémy, ako napríklad riadenie energie v nárazovom prúde. Samozrejme, ak by sa mohli vyskytnúť prechodné prepätia, potom by boli fóliové kondenzátory v aplikácii oveľa robustnejšie. Príkladom môže byť ľahká trakcia, kde prerušované pripojenie k trolejovému vedenia spôsobuje prepätie na jednosmernom medziobvode.
Tento príklad je typický pre mnohé dnešné prostredia, ako sú systémy neprerušiteľného napájania, veterná a solárna energia, zváranie a striedače viazané na sieť. Rozdiely v nákladoch medzi filmom a Al elektrolytikou možno zhrnúť v číslach publikovaných v roku 2013 [2]. Typické náklady na jednosmernú zbernicu z usmerneného 440 Vac možno nájsť v tabuľke 1.
Ďalšie aplikácie sú na oddelenie a tlmiace obvody v meničoch alebo invertoroch. Tu by sa mala použiť konštrukcia fólie/fólie, ak to veľkosť dovoľuje, pretože metalizované typy vyžadujú špeciálne konštrukčné a výrobné kroky. Ako oddelenie je kondenzátor umiestnený naprieč jednosmernou zbernicou, aby poskytoval dráhu s nízkou indukčnosťou pre cirkulujúce vysokofrekvenčné prúdy, typicky 1 µF na 100 A spínaných. Bez kondenzátora prúd cirkuluje cez slučky s vyššou indukčnosťou, čo spôsobuje prechodné napätie (Vtr) podľa nasledujúceho: Vtr =-Ldi/dt.
S možnými zmenami prúdu 1 000 A/µs, len niekoľko nanohenrie indukčnosti môže produkovať významné napätie. Stopy dosky s plošnými spojmi môžu mať indukčnosť okolo 1 nH/mm, čo teda v tejto situácii poskytuje približne 1 Vtr/mm. Preto je dôležité, aby spojenia boli čo najkratšie. Na ovládanie dV/dt cez spínače sú kondenzátor a sieť rezistorov/diód umiestnené paralelne s IGBT alebo MOSFET (obrázok 7).
To spomaľuje zvonenie, kontroluje elektromagnetické rušenie (EMI) a zabraňuje rušivému prepínaniu v dôsledku vysokého
Obr Vypnutie spínača. Obr Filmové kondenzátory ako potlačenie EMI. OBR. 9 Filmové kondenzátory vo filtrovaní EMC motorového pohonu.
dV/dt, najmä v IGBT. Počiatočným bodom je často to, že kapacita tlmiča je zhruba dvojnásobkom súčtu výstupnej kapacity spínača a montážnej kapacity a odpor sa potom vyberie tak, aby kriticky tlmil akékoľvek zvonenie. Boli formulované optimálnejšie konštrukčné prístupy.
Bezpečnostné polypropylénové kondenzátory sa často používajú naprieč elektrickými vedeniami na zníženie EMI v diferenciálnom režime (obrázok 8). Rozhodujúca je ich schopnosť odolávať prechodným prepätiam a samoliečeniu. Kondenzátory v týchto polohách sú dimenzované ako X1 alebo X2, ktoré dokážu vydržať 4- a 2,5-kV prechodné javy. Používané hodnoty sú často v mikrofaradoch, aby sa dosiahol súlad s typickými normami elektromagnetickej kompatibility (EMC) pri vysokých úrovniach výkonu. Fóliové kondenzátory typu Y možno použiť aj v pozíciách medzi líniou a zemou na zoslabenie šumu v spoločnom režime, kde je kapacitná hodnota obmedzená z dôvodu zvodového prúdu (obrázok 8). Verzie Y1 a Y2 sú k dispozícii pre prechodové napätie 8 a 5 kV. Nízke indukčnosti pripojenia filmových kondenzátorov tiež pomáhajú udržiavať vysoké vlastné rezonancie.
Rastúcou aplikáciou pre nepolarizované kondenzátory je vytváranie dolnopriepustných filtrov so sériovými tlmivkami na zoslabenie vysokofrekvenčných harmonických v striedavom výstupe meničov a meničov (obrázok 9). Polypropylénové kondenzátory sa často používajú pre svoju spoľahlivosť, vysoký menovitý zvlnený prúd a dobrú objemovú účinnosť v aplikácii a tlmivky a kondenzátory sú často zabalené spolu v jednom module. Záťaže, ako sú motory, sú často vzdialené od pohonnej jednotky a filtre sa používajú na to, aby umožnili systémom splniť požiadavky EMC a znížiť namáhanie kabeláže a motorov nadmernými úrovňami dV/dt.
