Kondensaattorityyppien monipuolinen kokoelma ei ole juurikaan muuttunut viime vuosina, mutta sovellukset ovat varmasti muuttuneet. Tässä artikkelissa tarkastellaan kondensaattoreiden käyttöä tehoelektroniikassa ja verrataan käytettävissä olevia tekniikoita. Filmikondensaattorit näyttävät etunsa tulevissa sovelluksissa, kuten sähköautot , vaihtoehtoisen energian tehonmuunnos ja invertterit taajuusmuuttajissa . Alumiinielektrolyytti (Al) on kuitenkin edelleen tärkeä, kun energian varastointitiheys on tärkein vaatimus.
Al Electrolitic vai Film kondensaattori?
Se on helppo hylätä Al elektrolyyttiä eilisen teknologian tapaan, mutta ero niiden ja elokuvavaihtoehdon välillä ei ole aina niin selvä. Varastoidun energiatiheyden, eli jouleen/kuutiosenttimetrin, suhteen ne ovat edelleen tavallisia kalvokondensaattoreita edellä, vaikka eksoottisia muunnelmia, kuten segmentoituja korkeakiteisiä metalloitu polypropeeni ovat vertailukelpoisia. Lisäksi Al-elektrolyytit säilyttävät aaltoiluvirtansa korkeammissa lämpötiloissa paremmin kuin kilpailevat kalvokondensaattorit. Edes havaitut käyttöiän ja luotettavuuden ongelmat eivät ole niin merkittäviä, kun Al-elektrolyyttejä vähennetään asianmukaisesti. Al-elektrolyytit ovat edelleen erittäin houkuttelevia, kun tasavirtaväylän jännitteen läpikulkua tarvitaan sähkökatkon aikana ilman akun varavirtaa. Esimerkiksi kun hinta on liikkeellepaneva tekijä, on erityisen vaikeaa ennakoida, että kalvokondensaattorit syrjäyttävät bulkkikondensaattorit hyödykkeiden off-line-virtalähteissä.
Elokuva voittaa monin tavoin
Filmikondensaattorilla on useita merkittäviä etuja muihin kondensaattoreihin verrattuna: vastaava sarjavastus (ESR) voi olla dramaattisesti pienempi, mikä johtaa paljon parempaan aaltoiluvirran käsittelyyn. Ylijännitearvot ovat myös parempia, ja mikä tärkeintä, kalvokondensaattorit voivat parantua itsestään
KUVIO 1 Kondensaattorikalvon ominaisuudet.
KUVIO 2 DF:n vaihtelu polypropeenikalvon lämpötilan kanssa.
Stressin jälkeen, mikä parantaa järjestelmän luotettavuutta ja käyttöikää. Itseparantumiskyky riippuu kuitenkin stressitasosta, huippuarvoista ja toistotiheydestä. Lisäksi mahdollinen katastrofaalinen vika on edelleen mahdollinen johtuen hiilen kertymisestä ja plasmakaaren sivuvaurioista, jotka syntyvät vianpoiston aikana. Nämä ominaisuudet vastaavat sähköajoneuvojen ja vaihtoehtoisten energiajärjestelmien nykyaikaisia tehonmuunnossovelluksia, joissa ei tarvita keskeytyksiä katkosten tai linjataajuuden aaltoiluhuippujen välillä. Päävaatimus on kyky tuottaa ja upottaa korkeataajuisia aaltoiluvirtoja, jotka voivat saavuttaa satoja ellei tuhansia ampeeria säilyttäen samalla siedettävät häviöt ja korkean luotettavuuden. On myös siirrytty korkeampiin väyläjännitteisiin ohmisen häviön vähentämiseksi tietyillä tehotasoilla. Tämä tarkoittaisi Al-elektrolyyttien sarjakytkentää, jonka luontainen maksimijännite on noin 550 V. Jänniteepätasapainon välttämiseksi voi olla tarpeen valita kalliit kondensaattorit, joiden arvot ovat samat, ja käyttää jännitteen tasausvastuksia niihin liittyvine häviöineen ja kustannuksineen.
Luotettavuuskysymys ei ole yksiselitteinen, vaikka kontrolloiduissa olosuhteissa elektrolyytit ovat verrattavissa tehokalvoon, mikä tarkoittaa, että ne kestävät tyypillisesti vain 20 % ylijännitteestä ennen vaurioita. Sitä vastoin kalvokondensaattorit kestävät ehkä 100 % ylijännitteen rajoitetun ajan. Vioittuessaan elektrolyytit voivat oikosulkua ja räjähtää, mikä tuhoaa koko sarjan sarja-/rinnakkaiskomponentteja vaarallisilla elektrolyyttipurkauksilla. Kalvokondensaattorit voivat myös parantua itsestään, mutta järjestelmän luotettavuus aidoissa satunnaisen rasituksen olosuhteissa voi olla hyvin erilainen näiden kahden tyypin välillä. Kuten kaikkien komponenttien kohdalla, korkea kosteustaso voi heikentää kalvokondensaattorin suorituskykyä, ja parhaan luotettavuuden takaamiseksi tämä tulee olla hyvin hallinnassa. Toinen käytännöllinen erottuva tekijä on kalvokondensaattorien asennuksen helppous – niitä on saatavana eristettyinä, tilavuustehokkaina suorakaiteen muotoisina koteloina, joissa on erilaisia sähköliitäntävaihtoehtoja ruuviliittimistä korvakkeisiin, kiinnikkeisiin ja virtakiskoihin verrattuna tyypillisiin pyöreisiin metallitölkkeihin. elektrolyytit. Polaariton dielektrinen kalvo mahdollistaa käänteisen asennuksen ja mahdollistaa käytön sovelluksissa, joissa käytetään vaihtovirtaa, kuten invertterin lähtösuodatuksessa.
Tietenkin on olemassa monia kalvokondensaattorien eristetyyppejä, ja kuvassa 1 on yhteenveto niiden suorituskyvystä [1]. Polypropeenikalvo on yleinen voittaja, kun häviöt ja luotettavuus jännityksessä ovat tärkeimmät seikat sen alhaisen DF:n ja suuren eristeen hajoamisen vuoksi paksuusyksikköä kohti. Muut kalvot voivat olla parempia lämpötilan ja kapasitanssin/tilavuuden suhteen, korkeammilla dielektrisyysvakioilla ja ohuemmalla kalvon saatavuudella, ja alhaisilla jännitteillä polyesteri on edelleen yleisessä käytössä. DF on erityisen tärkeä ja se määritellään ESR/kapasitiiviseksi reaktanssiksi, ja se määritellään yleensä taajuudella 1 kHz ja 25 °C. Matala DF verrattuna muihin eristeisiin merkitsee alhaisempaa lämmitystä ja on tapa vertailla häviöitä mikrofaradia kohti. DF vaihtelee hieman taajuuden ja lämpötilan mukaan, mutta polypropeeni toimii parhaiten. Kuvat 2 ja 3 esittävät tyypillisiä käyriä.
On olemassa kahta päätyyppiä kalvokondensaattorirakenteita, jotka käyttävät kalvoa ja kerrostettua metallointia, kuten kuvassa 4 on esitetty. Noin 5 nm paksua metallikalvoa käytetään tyypillisesti eristekerrosten välissä sen korkean huippuvirtakapasiteetin vuoksi, mutta se ei toimi itsestään. - paranee kestäneen stressin jälkeen. Metalloitu kalvo muodostetaan tyhjiössä ja tyypillisesti kerrostamalla 1200 °C:n Al:ta kalvolle noin 20–50 nm:n paksuuteen kalvon lämpötilan ollessa –25––35 °C,
KUVA 3 DF:n vaihtelu polypropeenikalvon taajuuden kanssa.
KUVIO 4 Kalvokondensaattorin rakenne
vaikka sinkkiä (Zn) ja Al-Zn-seoksia voidaan myös käyttää. Tämä prosessi mahdollistaa itsekorjauksen, jossa eristeen missä tahansa kohdassa tapahtuvat vauriot aiheuttavat paikallista voimakasta kuumenemista, ehkä jopa 6 000 °C:een, jolloin plasma muodostuu. Jakokanavan ympärillä oleva metallointi höyrystyy, ja plasman nopea laajeneminen sammuttaa purkauksen, mikä eristää vian ja jättää kondensaattorin täysin toimivaksi. Kapasitanssin pieneneminen on minimaalista, mutta ajan myötä additiivinen, mikä tekee siitä hyödyllisen komponentin ikääntymisen indikaattorin.
Yleinen menetelmä luotettavuuden lisäämiseksi on segmentoida kalvon metallointi alueisiin, ehkä miljooniin, kapeilla porteilla, jotka syöttävät virtaa segmentteihin ja toimivat sulakkeina suurille ylikuormituksille. Kokonaisvirtapolun kaventuminen metallointiin vähentää komponentin huippuvirran käsittelyä, mutta lisätty turvamarginaali mahdollistaa kondensaattorin hyödyllisen mitoituksen korkeammilla jännitteillä.
Nykyaikaisen polypropeenin dielektrinen lujuus on noin 650 V/µm ja sitä on saatavana noin 1,9 µm:n paksuisena ja sitä ylöspäin, joten kondensaattoreiden jännitearvot ovat rutiininomaisesti saavutettavissa useisiin kilovoltteihin asti, joissakin osissa jopa 100 kV. Kuitenkin korkeammilla jännitteillä osittaisen purkauksen (PD) ilmiö, joka tunnetaan myös nimellä koronapurkaus, tulee tekijäksi. PD on materiaalimassassa tai materiaalikerrosten välisissä ilmaväleissä olevien mikroonteloiden suurjännitteinen rikkoutuminen, mikä aiheuttaa osittaisen oikosulun koko eristysreitillä. PD (koronapurkaus) jättää pienen hiilijäljen; Alkuvaikutus on huomaamaton, mutta se voi kertyä ajan myötä, kunnes heikentynyt, hiilijäljitetty eristys rikkoutuu karkeasti ja äkillisesti. Vaikutus kuvataan Paschen-käyrällä, joka on esitetty kuvassa 5, ja sillä on tyypillinen alku- ja sammutusjännite. Kuvassa on kaksi esimerkkikenttävoimakkuutta. Paschen-käyrän A yläpuolella olevat pisteet aiheuttavat todennäköisesti PD-erittelyn.
KUVIO 5 Paschen-käyrä ja esimerkki sähkökentän voimakkuudesta.
Vaikutuksen torjumiseksi erittäin korkean jännitteen kondensaattorit on kyllästetty öljyllä, jotta ilma jää pois kerrosliitännöistä. Pienjännitetyypit ovat yleensä hartsitäytteisiä, mikä myös parantaa mekaanista kestävyyttä. Toinen ratkaisu on muodostaa sarjakondensaattorit yksittäisiin koteloihin, mikä vähentää tehokkaasti jännitehäviötä kummassakin reilusti alkujännitteen alapuolelle. PD on sähkökentän voimakkuudesta johtuva vaikutus, joten dielektrisen paksuuden lisääminen jännitegradientin pienentämiseksi on aina mahdollista, mutta se lisää kondensaattorin kokonaiskokoa. On olemassa kondensaattoreita, joissa kalvot ja metallointi yhdistyvät kompromissin saavuttamiseksi huippuvirran ja itseparantumisen välillä. Metallointi voidaan lajitella myös kondensaattorin reunasta siten, että reunojen paksumpi materiaali antaa paremman virrankäsittelyn ja vankemman päätteen juottamalla tai hitsaamalla, ja lajittelu voi olla jatkuvaa tai porrastettua.
On ehkä hyödyllistä ottaa askel taaksepäin ja tarkkailla, kuinka Al-elektrolyyttikondensaattorien käyttö on edullista. Yksi esimerkki on 90 % tehokkaassa, 1 kW:n off-line-muuntimessa, jossa on tehokerroinkorjattu etuosa ja joka tarvitsee 20 ms:n ajon, kuten kuvassa 6. Siinä on tyypillisesti sisäinen tasavirtaväylä, jossa on nimellisjännite Vn 400 V ja pudotusjännite Vd 300 V, jonka alapuolella lähdön säätö menetetään.
Bulkkikondensaattori C1 syöttää energiaa ylläpitääkseen vakiolähtötehon määritellyn ajoajan aikana, kun väylän jännite putoaa 400:sta 300 V:iin katkon jälkeen. Matemaattisesti Po t/h =1/2 C(Vn²-Vd²) tai C=2*1000*0,02/0,9*(400²-300²) =634nF 450 V:n nimellisjännitteellä.
Jos Al-elektrolyyttiset kondensaattorit käytetään, yhtälö johtaa tarvittavaan tilavuuteen noin 52 cm3 (eli 3:3), esim. jos TDK-EPCOS Käytössä on B43508-sarja. Sitä vastoin kalvokondensaattorit olisivat epäkäytännöllisen suuria, ja ne vaatisivat ehkä 15 rinnakkain kokonaistilavuudessa 1500 cm3 (eli 91:3), jos käytetään TDK-EPCOS B32678 -sarjaa. Ero on ilmeinen, mutta valinta muuttuisi, jos kondensaattorin pitäisi ohjata tasavirtajohdon aaltoilujännitettä. Otetaan samanlainen esimerkki, jossa 400 V väyläjännite tulee akusta, joten pitoa ei tarvita. On kuitenkin olemassa tarve pienentää aaltoiluvaikutusta esim. 4 V:n keskiarvoon (rms) 80 A rms:n suurtaajuisista virtapulsseista, jotka on otettu alavirran muuntimen taajuudella 20 kHz. Tämä voi olla sähköajoneuvosovellus, ja vaadittu kapasitanssi voidaan arvioida arvosta C=irms/Vrippe.2.Π.f=80/4*2*3.14*20*1000=160 uF 450 V:n nimellisjännitteellä.
KUVIO 6 Kondensaattori läpikulkua varten (pidä kiinni). HVDC: korkeajännite tasavirta.
180 µF, 450 V:n elektrolyytin aaltoiluvirta voi olla vain noin 3,5 A rms 60 °C:ssa, mukaan lukien taajuuskorjaus (EPCOS B43508 -sarja). Siten 80 A:lle tarvittaisiin 23 kondensaattoria rinnakkain, mikä tuottaisi tarpeettoman 4 140 µF kokonaistilavuudella 1 200 cm3 (eli 73 in 3 ). Tämä noudattaa joskus mainittua elektrolyyttien 20 mA/µF aaltoiluvirtaluokitusta. Jos kalvokondensaattorit otetaan huomioon, nyt vain neljä rinnakkain EPCOS B32678 sarjat antavat 132 A rms aaltoiluvirran 402 cm3:n tilavuudessa (eli 24,5 3:ssa). Jos lämpötila on rajoitettu esim. alle 70 °C:seen, voidaan silti valita pienempi kotelokoko. Vaikka valitsisimmekin elektrolyytit muilla perusteilla, ylikapasitanssi voi aiheuttaa muita ongelmia, kuten energian säätelyn käynnistysvirran hallinnassa. Tietenkin, jos ohimeneviä ylijännitteitä voisi esiintyä, kalvokondensaattorit olisivat paljon kestävämpiä sovelluksessa. Esimerkki tästä olisi kevyessä vedossa, jossa katkonainen kytkentä ajojohtimeen aiheuttaa ylijännitteen dc-link-liitännässä.
Tämä esimerkki on tyypillinen monille nykypäivän ympäristöille, kuten keskeytymättömälle virransyöttöjärjestelmille, tuuli- ja aurinkovoimalle, hitsaukselle ja verkkoon kytketyille inverttereille. Kalvon ja Al-elektrolyyttien kustannuserot voidaan tiivistää vuonna 2013 julkaistuihin lukuihin [2]. Tasasuunnatun 440 Vac:n tasavirtaväylän tyypilliset kustannukset löytyvät taulukosta 1.
Muut sovellukset ovat irrottamista ja snubber-piirejä muuntimissa tai inverttereissä. Tässä tulisi käyttää kalvo/foliorakennetta, jos koko sen sallii, sillä metalloidut tyypit vaativat erityisiä suunnittelu- ja valmistusvaiheita. Irrotuksena kondensaattori sijoitetaan tasavirtaväylän poikki, jotta saadaan aikaan matala induktanssipolku suurtaajuisten virtojen kiertämiseen, tyypillisesti 1 µF per 100 A kytkettyä. Ilman kondensaattoria virta kiertää korkeamman induktanssin silmukoiden kautta aiheuttaen transienttijännitteitä (Vtr) seuraavan mukaan: Vtr =-Ldi/dt.
Kun virran muutokset ovat 1000 A/µs mahdollisia, vain muutama induktanssi nanohenri voi tuottaa merkittäviä jännitteitä. Piirilevyjälkien induktanssi voi olla noin 1 nH/mm, mikä tarjoaa näin ollen noin 1 Vtr/mm tässä tilanteessa. Siksi on tärkeää, että liitokset ovat mahdollisimman lyhyitä. dV/dt:n ohjaamiseksi kytkimien välillä kondensaattori ja vastus/diodiverkko sijoitetaan rinnakkain IGBT tai MOSFET (kuva 7).
Tämä hidastaa soittoa, ohjaa sähkömagneettisia häiriöitä (EMI) ja estää korkeasta häiriöstä johtuvan väärän kytkennän.
KUVIO 7 Kytkin nappaa. KUVIO 8 Kalvokondensaattorit EMI-suppressiona. KUVIO 9 Kalvokondensaattorit moottorikäyttöisessä EMC-suodatuksessa.
dV/dt, erityisesti IGBT:issä. Lähtökohtana on usein tehdä snubber-kapasitanssi noin kaksinkertaiseksi kytkimen lähtökapasitanssin ja asennuskapasitanssin summaan nähden, ja sitten vastus valitaan vaimentamaan kriittisesti kaikki soittoäänet. Optimaalisempia suunnittelumenetelmiä on muotoiltu.
Turvallisuusluokiteltuja polypropeenikondensaattoreita käytetään usein voimalinjojen yli vähentämään differentiaalitilan EMI:tä (kuva 8). Niiden kyky kestää ohimeneviä ylijännitteitä ja itsensä paraneminen on ratkaisevan tärkeää. Näissä asennoissa olevat kondensaattorit on mitoitettu X1 tai X2, jotka kestävät vastaavasti 4 ja 2,5 kV transientteja. Käytetyt arvot ovat usein mikrofaradeissa, jotta saavutetaan tyypillisten sähkömagneettisen yhteensopivuuden (EMC) standardien noudattaminen suurilla tehotasoilla. Kalvo Y-tyyppisiä kondensaattoreita voidaan käyttää myös linja-maa-asennoissa vaimentamaan yhteismuotoista kohinaa, kun kapasitanssiarvo on rajoitettu vuotovirtanäkökohtien vuoksi (kuva 8). Y1- ja Y2-versiot ovat saatavilla 8- ja 5-kV transienttiluokille. Kalvokondensaattorien alhaiset kytkentäinduktanssit auttaa myös pitämään itseresonanssit korkealla.
Polarisoimattomien kondensaattoreiden kasvava sovellus on muodostaa alipäästösuotimia sarjainduktoreilla vaimentamaan suurtaajuisia harmonisia taajuusmuuttajien ja invertterien vaihtovirtalähdöissä (kuva 9). Polypropeenikondensaattoreita käytetään usein niiden luotettavuuden, korkean aaltoiluvirran ja hyvän tilavuushyötysuhteen vuoksi sovelluksessa, ja induktorit ja kondensaattorit on usein pakattu yhteen moduuliin. Kuormat, kuten moottorit, ovat usein kaukana käyttöyksiköstä, ja suodattimia käytetään, jotta järjestelmät täyttävät EMC-vaatimukset ja vähentävät kaapelointiin ja moottoreihin kohdistuvaa rasitusta liiallisista dV/dt-tasoista.
