Rozmanitá zbierka typov kondenzátorov sa v posledných rokoch príliš nezmenila, ale aplikácie určite majú. V tomto článku sa pozrieme na to, ako sa kondenzátory používajú v elektronickej elektronike, a porovnávame dostupné technológie. Kondenzátory ukazujú svoje výhody v nadchádzajúcich aplikáciách, ako napríklad elektrické vozidlá , premena na pôvodnú energetickú energiu a meniče v jednotkách . Hliníková (AL) elektrolytika je však stále dôležitá, keď je hlavnou požiadavkou hustota skladovania energie.
Al elektrolitický alebo filmový kondenzátor?
Je ľahké prepustiť Al Electrolytics Ako včerajšia technológia, ale diferenciácia vo výkone medzi nimi a alternatívou filmu nie je vždy taká jasná. Pokiaľ ide o skladovanú hustotu energie, t. J. Joules/kubické centimetre, sú stále pred štandardnými filmovými kondenzátormi, hoci exotické varianty, ako napríklad segmentované vysoko-kryštalické metalizovaný polypropylén sú porovnateľné. Elektrolytiká Al tiež udržiavajú svoje zvlnené hodnotenie pri vyšších teplotách lepšie ako konkurenčné filmové kondenzátory. Dokonca aj vnímané problémy so životom a spoľahlivosťou nie sú také významné, keď sa Al elektrolytická elektrolytika primerane odhaľuje. Al Electrolytics je stále veľmi atraktívna, kde sa bez zálohovania batérie vyžaduje jazda napätia zbernice jednosmernej zbernice pri výpadku napájania. Napríklad, keď sú náklady hnacie faktory, je obzvlášť ťažké predvídať filmové kondenzátory, ktoré preberajú hromadné kondenzátory v komoditných off-line energických zdrojoch.
Film vyhráva mnohými spôsobmi
Filmové kondenzátory majú oproti ostatným kondenzátorom niekoľko významných výhod: hodnotenia ekvivalentného odporu série (ESR) môžu byť dramaticky nižšie, čo vedie k oveľa lepšiemu manipulácii s vludne. Hodnotenia prepätia sú tiež vynikajúce a možno najvýznamnejšie filmové kondenzátory môžu samoliečovať
Obr. Charakteristiky kondenzátora.
Obr. 2 Variácia DF s teplotou pre polypropylénový film.
Po stresu, čo vedie k lepšej spoľahlivosti systému a životnosti systému. Schopnosť samoliečenia však závisí od úrovne napätia, maximálnych hodnôt a miery opakovania. Okrem toho je prípadné katastrofické zlyhanie stále možné v dôsledku ukladania uhlíka a kolaterálneho poškodenia z oblúka plazmy generovaného počas zúčtovania porúch. Tieto charakteristiky zodpovedajú moderným aplikáciám konverzie energie v elektrických vozidlách a alternatívnych energetických systémoch, kde sa nevyžadujú žiadne zadržanie pri výpadkoch alebo medzi vrcholmi zvlnenia linky. Hlavnou požiadavkou je schopnosť zdroja a potopiť vysokofrekvenčné zvlnené prúdy, ktoré by mohli dosiahnuť stovky, ak nie tisíce zosilňovačov pri zachovaní tolerovateľných strát a vysokej spoľahlivosti. K dispozícii je tiež pohyb k vyšším napätiam zbernice na zníženie ohmických strát pri daných úrovniach energie. To by znamenalo sériové pripojenie Al Electrolytics s ich vlastným maximálnym hodnotením napätia približne 550 V. Aby sa zabránilo nerovnováhe napätia, môže byť potrebné zvoliť drahé kondenzátory so zhodnými hodnotami a používať odpory vyrovnávania napätia s ich pridruženými stratami a nákladmi.
Problém spoľahlivosti nie je jednoduchý, hoci za kontrolovaných podmienok je elektrolytika porovnateľná s napájacím filmom, čo znamená, že pred poškodením zvyčajne vydrží iba 20% prepätia. Naopak, filmové kondenzátory môžu vydržať asi 100% prepätia pre obmedzené obdobia. Po zlyhaní môže elektrolytica skratovať a explodovať, čím sa zníži celá banka sérií/paralelných komponentov s nebezpečným vypúšťaním elektrolytov. Filmové kondenzátory môžu tiež samoliečovať, ale spoľahlivosť systému za autentických podmienok príležitostného stresu sa môže medzi týmito dvoma typmi veľmi líšiť. Rovnako ako u všetkých komponentov, vysoká úroveň vlhkosti môže degradovať výkon kondenzátora filmového kondenzátora a pre najlepšiu spoľahlivosť by to malo byť dobre kontrolované. Ďalším praktickým diferenciátorom je ľahkosť montážnych kondenzátorov filmu - sú k dispozícii v izolovaných, objemovo efektívnych obdĺžnikových skrinkách s rôznymi možnosťami elektrického pripojenia, od skrutkových svoriek po píly, rýchle a zbernice v porovnaní s typickými guľatými kovovými plechovkami elektrolytiky. Nepolárny dielektrický film poskytuje montáž proti spätnému zväzku a umožňuje použitie v aplikáciách, kde sa používa AC, napríklad pri filtrovaní invertorového výstupu.
K dispozícii je samozrejme veľa dielektrických typov kondenzátora filmového kondenzátora a obrázok 1 poskytuje zhrnutie ich porovnávacích vystúpení [1]. Polpropylénový film je celkovým víťazom, keď straty a spoľahlivosť pod stresom sú hlavnými úvahami kvôli jeho nízkemu DF a vysokému dielektrickému rozpadu na hrúbku jednotky. Ostatné filmy môžu byť lepšie pre hodnotenie teploty a kapacita/objem, s vyššími dielektrickými konštantami a dostupnosťou tenšieho filmu a pri nízkom napätí sa polyester stále bežne používa. DF je obzvlášť dôležitý a definovaný ako ESR/kapacitná reaktancia a zvyčajne sa špecifikuje pri 1 kHz a 25 ° C. Nízka DF v porovnaní s inými dielektrikami znamená nižšie zahrievanie a je to spôsob porovnávania strát na mikrofarad. DF sa mierne líši v závislosti od frekvencie a teploty, ale polypropylén funguje najlepšie. Obrázky 2 a 3 ukazujú typické grafy.
Existujú dva hlavné typy konštrukcií kondenzátora filmov, ktoré používajú fóliu a nanesú metalizáciu, ako je znázornené na obrázku 4. Kovová fólia, ktorá je približne 5 nm hrubá, sa zvyčajne používa medzi dielektrickými vrstvami pre svoju vysokú schopnosť celkovej špičky, ale po pretrvávajúcom strese sa samoliečuje. Metalizovaný film je tvorený vákuom a typicky ukladaním Al pri 1 200 ° C na film na hrúbku zhruba 20–50 nm s teplotou filmu v rozsahu od -25 do -35 ° C,
Obr. 3 Variácia DF s frekvenciou pre polypropylénový film.
Obr. 4 Konštrukcia filmového kondenzátora
Aj keď je možné použiť zliatiny zinku (Zn) a al-Zn. Tento proces umožňuje samoliečovanie, kde poruchy v ktoromkoľvek bode v celej dielektrike spôsobujú lokalizované intenzívne zahrievanie, možno až 6 000 ° C, čo spôsobuje vytvorenie plazmy. Kovina okolo poruchového kanála sa odparuje, pričom rýchla expanzia plazmy ochladzuje výtok, ktorý izoluje defekt a kondenzátor ponecháva úplne funkčný. Zníženie kapacity je v priebehu času minimálne, ale aditívne, čo z nej robí užitočný ukazovateľ starnutia komponentu.
Bežnou metódou na ďalšie zvýšenie spoľahlivosti je segmentácia metalizácie filmu do oblastí, možno miliónov, s úzkymi bránami, ktoré prúdia prúdom do segmentov a pôsobia ako poistky pre hrubé preťaženie. Zúženie celkovej prúdovej cesty k metalizácii znižuje manipuláciu s špičkovým prúdom komponentu, ale zavedená ďalšia bezpečnostná marža umožňuje kondenzátoru užitočne hodnotiť pri vyššom napätí.
Moderný polypropylén má dielektrickú pevnosť približne 650 V/um a je k dispozícii v hrúbke zhruba 1,9 µm a nahor, takže hodnotenie kondenzátora až do niekoľkých kilovoltov je bežne dosiahnuteľné, pričom niektoré časti dokonca hodnotia pri 100 kV. Pri vyššom napätí sa však jav čiastočného výboja (PD), známy ako výtok z Corony, stáva faktorom. PD je vysoké rozkladanie mikrovoidov vo väčšine materiálu alebo vo vzduchových medzerách medzi vrstvami materiálu, čo spôsobuje čiastočný skrat celkovej izolačnej dráhy. PD (výboj z Corona) zanecháva mierne stopy z uhlíka; Počiatočný účinok je nepostrenie, ale môže sa v priebehu času hromadiť, až kým nedošlo k hrubému a náhlemu rozpadu oslabenej izolácie sledovanej uhlíkom. Účinok je opísaný Paschenovou krivkou, ktorá je znázornená na obrázku 5, a má charakteristické počiatočné a vyhynuté napätie. Obrázok zobrazuje dva príklady sily poľa. Body nad krivkou Paschen A, A, pravdepodobne spôsobia rozdelenie PD.
Obr. 5 Paschenová krivka a príklady elektrického poľa.
Na boj proti tomuto účinku sú kondenzátory s veľmi vysokým napätím impregnované olejom, aby sa vylúčil vzduch z rozhraní vrstiev. Typy s nižším napätím majú tendenciu byť vyplnené živice, čo tiež pomáha s mechanickou robustnosťou. Ďalším riešením je vytvorenie sériových kondenzátorov v jednotlivých puzdroch, čím účinne znižuje pokles napätia cez každý, čo je výrazne pod počiatočné napätie. PD je účinok v dôsledku intenzity elektrického poľa, takže zvyšovanie dielektrickej hrúbky na zníženie gradientu napätia je vždy možné, ale zvyšuje celkovú veľkosť kondenzátora. Existujú kondenzátory, ktoré kombinujú fólie a metalizáciu, aby poskytli kompromis medzi schopnosťou maximálneho prúdu a samoliečením. Metalizácia sa môže tiež odstupňovať od okraja kondenzátora tak, aby hrubší materiál na okrajoch poskytoval lepšiu manipuláciu s prúdom a robustnejšie ukončenie spájkovaním alebo zváraním a klasifikácia môže byť nepretržitá alebo stupňovaná.
Možno je užitočné urobiť krok späť a pozorovať, ako je využívanie al-elektrolytických kondenzátorov výhodné. Jedným z príkladov je 90%-efektívny, 1-kW off-line prevodník s predným koncom korigovaným napájaním, ktorý potrebuje jazdu 20 ms, ako je znázornené na obrázku 6. Zvyčajne bude mať internú DC zbernicu s nominálnym napätím, VN, 400 V a vykopávkového napätia, z 300 V, pod ktorým je stratené nariadenie o výstupe.
Objemový kondenzátor C1 dodáva energiu na udržanie konštantného výkonu počas určeného času jazdy, keď napätie zbernice klesne zo 400 na 300 V po výpadku. Matematicky, PO T/H = 1/2 C (Vn²-VD²) alebo C = 2*1 000*0,02/0,9*(400²-300²) = 634nf pri hodnotení 450 V.
Či Al-elektrolytické kondenzátory používajú sa, potom rovnica vedie k požadovanému objemu zhruba 52 cm3 (t. J. 3 v 3), napr. Ak je to TDK-EPCOS Používa sa séria B43508. Naopak, kondenzátory filmu by boli neprakticky veľké a ak sa použije séria TDK-EPCOS B32678, vyžaduje sa asi 15 paralelne pri celkovom objeme 1 500 cm3 (t. J. 91 v 3). Rozdiel je zrejmý, ale výber by sa zmenil, keby kondenzátor potreboval na reguláciu zvlnenia na jednosmernej línii. Zoberme si podobný príklad, keď je napätie zbernice 400-V z batérie, takže zadržanie nie je potrebné. Je však potrebné znížiť efekt zvlnenia na, napr. 4 V koreňový stredný štvorcový (RMS) z 80 A RMS vysokofrekvenčných prúdových impulzov, ktoré vzal downstream prevodník pri 20 kHz. Mohlo by to byť aplikácia elektrického vozidla a požadovaná kapacita sa dá aproximovať od C = IRMS/VRIPPE.2.F = 80/4*2*3,14*20*1000 = 160 UF pri hodnotení 450 V.
Obr. 6 Kondenzátor pre jazdu (Hold Up). HVDC: vysokonapäťový DC.
Elektrolytický pri 180 µf, 450 V môže mať ripplecpurrent hodnotenie iba približne 3,5 A RMS pri 60 ° C, vrátane korekcie frekvencie (séria EPCOS B43508). Pre 80 A by sa teda vyžadovalo paralelne 23 kondenzátorov, čím by sa vytvorilo zbytočné 4 140 µf s celkovým objemom 1 200 cm3 (t. J. 73 v 3). To je v súlade s niekedy citovaným 20 mA/µF zvlneným hodnotením pre elektrolytiku. Ak sa teraz považujú filmové kondenzátory, teraz iba štyri paralelne od EPCOS B32678 Séria poskytuje hodnotenie zvlnenia 132-A RMS v objeme 402 cm3 (t. J. 24,5 v 3). Ak je teplota obmedzená na napr. Menej ako 70 ° C Ambient, potom je možné zvoliť menšiu veľkosť prípadu. Aj keď si vyberieme elektrolytiku z iných dôvodov, prebytočná kapacita by mohla spôsobiť ďalšie problémy, ako je napríklad kontrola energie v prúdovom prúde. Ak by sa mohli vyskytnúť prechodné prevody, potom by kondenzátory filmu boli v aplikácii oveľa robustnejšie. Príkladom by bolo, že by to bolo v trakcii svetla, kde prerušované spojenie s trolám spôsobuje prepätie pri pripojení DC-Link.
Tento príklad je typický pre mnohé prostredia dnes, napríklad v nepretržitých systémoch napájania, veternej a slnečnej energie, zvárania a meničov viazaných na mriežku. Rozdiely v nákladoch medzi filmom a elektrolytikou Al možno zhrnúť na číslach uverejnených v roku 2013 [2]. Typické náklady na DC-BUS z opraveného 440 VAC sa nachádzajú v tabuľke 1.
Iné aplikácie sú určené na oddelenie a obvody v meničoch alebo meničoch. Tu by sa mala používať konštrukcia filmu/fólie, ak sa veľkosť povoľuje, pretože metalizované typy vyžadujú špeciálne konštrukčné a výrobné kroky. Ako oddelenie je kondenzátor umiestnený cez jednosmernú zbernicu, aby poskytol nízku indukčnú cestu pre cirkulujúce vysokofrekvenčné prúdy, zvyčajne 1 µF na 100 A prepínaných. Bez kondenzátora sa prúd cirkuluje cez slučky s vyššou indukčnosťou, čo spôsobuje prechodné napätie (VTR) podľa nasledujúceho: VTR = -LDI/DT.
Pri súčasných zmenách 1 000 A/µs je možné, len niekoľko nanohenries indukčnosti môže spôsobiť významné napätie. Strémy s tlačeným obvodom môžu mať indukčnosť okolo 1 NH/mm, čo v tejto situácii zabezpečuje zhruba 1 VTR/mm. Preto je dôležité, aby boli spojenia čo najkratšie. Na riadenie DV/ DT naprieč spínačmi sú kondenzátor a sieť odporu/ diódy umiestnené paralelne s Igbt alebo MOSFET (obrázok 7).
To spomaľuje zvonenie, riadi elektromagnetické interferencie (EMI) a zabraňuje falošnému prepínaniu v dôsledku vysokého
Obr. 7 Spínač sa utláča. Obr. 8 Filmové kondenzátory ako supresia EMI. Obr. 9 Filmové kondenzátory vo filtrovaní EMC s motorom.
DV/DT, najmä v IGBT. Východiskovým bodom často robí kapacitu snubberu zhruba dvojnásobok súčtu kapacity výstupu a montážnej kapacity a odpor je potom vybraný, aby kriticky zatlčal akékoľvek zvonenie. Boli formulované optimálne prístupy na dizajn.
Kondenzátory polypropylénov s hodnotením bezpečnosti sa často používajú naprieč elektrickými vedeniami na zníženie diferenčného režimu EMI (obrázok 8). Ich schopnosť odolávať prechodným prepätiam a samostatným liekom je rozhodujúca. Kondenzátory v týchto pozíciách sú hodnotené ako X1 alebo X2, ktoré vydržia prechody 4- a 2,5 kV. Použité hodnoty sú často v mikrofaradoch na dosiahnutie súladu s typickou elektromagnetickou kompatibilitou (EMC) štandardmi pri vysokých úrovniach výkonu. Kondenzátory typu Y sa môžu použiť aj v pozíciách od linky po zem na zoslabenie šumu spoločného režimu, kde je hodnota pacitancie CA obmedzená v dôsledku únikových úvah (obrázok 8). Verzie Y1 a Y2 sú k dispozícii pre prechodné hodnotenie 8- a 5 KV. Nízke pripojenie indukčnosti filmových kondenzátorov Pomáha tiež udržiavať vysoké sebaobrany.
Zvyšujúcou sa aplikáciou na nepolarizované kondenzátory je tvoriť filtre s nízkym priechodom so sériovými induktormi na zoslabenie vysokofrekvenčných harmonických harmonických v striedavom výstupe jednotiek a meničov (obrázok 9). Kondenzátory polypropylénu sa často používajú na ich spoľahlivosť, vysoký zvlnenie a dobrú objemovú účinnosť v aplikácii a induktory a kondenzátory sú často zabalené do jedného modulu. Zaťaženia, ako sú motory, sú často vzdialené od hnacej jednotky a filtre sa používajú na umožnenie systémov na splnenie požiadaviek EMC a zníženie stresu na kabelách a motoroch z nadmerných úrovní DV/DT.
