Monipuolinen kondensaattorityyppien kokoelma ei ole muuttunut paljon viime vuosina, mutta sovelluksilla on varmasti. Tässä artikkelissa tarkastellaan, kuinka kondensaattoreita käytetään tehoelektroniikassa ja verrataan käytettävissä olevia tekniikoita. Elokuvan kondensaattorit osoittavat heidän etujaan tulevissa sovelluksissa, kuten sähköajoneuvot , muuttanut energiatehon muuntamista ja invertterit asemissa . Alumiini (AL) -elektrolytiikka on kuitenkin edelleen tärkeä, kun energian varastointitiheys on päävaatimus.
Al elektrooliittinen tai kalvokondensaattori?
Se on helppo irtisanoa Al elektrolytiikka Eilisen tekniikan kanssa, mutta suorituskyvyn erottelu niiden ja elokuvavaihtoehdon välillä ei aina ole niin selvä. Varastoidun energiatiheyden, ts. Joules/kuutiometrien senttimetrien, suhteen ne ovat edelleen tavanomaisia kalvokondensaattoreita, vaikka eksoottiset variantit, kuten segmentoidut korkean kiteisen metalloitunut polypropeeni ovat vertailukelpoisia. Lisäksi Al Electrolytics ylläpitää aaltovirtaluokitustaan korkeammissa lämpötiloissa paremmin kuin kilpailevat elokuvan kondensaattorit. Jopa havaittu elämä- ja luotettavuuskysymykset eivät ole niin merkittäviä, kun Al -elektrolytiikka on asianmukaisesti hylätty. Al Electrolytics on edelleen erittäin houkutteleva, jos tasavirtaväyläjännitteen läpikäynti sähkökatkossa vaaditaan ilman akun varmuuskopiota. Esimerkiksi, kun kustannukset ovat ajokerroin, on erityisen vaikeaa ennakoida elokuvan kondensaattoreita, jotka ottavat haltuunsa hyödyke-offline-virtalähteiden joukossa.
Elokuva voittaa monin tavoin
Kalvokondensaattoreilla on useita merkittäviä etuja verrattuna muihin kondensaattoreihin: ekvivalentti -sarjankestävyydet (ESR) voivat olla dramaattisesti alhaisempia, mikä johtaa paljon parempaan Ripplecurrent -käsittelyyn. Surge-jännitteen luokitukset ovat myös parempia, ja ehkä kaikkein merkittävimpiä kalvokondensaattorit voivat itse parantaa
Kuva 1 Kondensaattorielokuvien ominaisuudet.
Kuva 2 DF: n vaihtelu polypropeenikalvon lämpötilassa.
Stressin jälkeen, mikä johtaa parempaan järjestelmän luotettavuuteen ja elinaikkaan. Kyky itse paranemiseen riippuu kuitenkin stressitasosta, huippuarvoista ja toistosta. Lisäksi mahdollinen katastrofaalinen vajaatoiminta on edelleen mahdollista johtuen vianpuhdistuksen aikana syntyneestä plasmakaarista johtuvien hiilen laskeutumisen ja vakuusvaurioiden vuoksi. Nämä ominaisuudet vastaavat sähköajoneuvojen ja vaihtoehtoisten energiajärjestelmien nykyaikaisia tehonmuuntamissovelluksia, joissa ei ole vaadittuja katkoksilla tai linja-taajuuden aaltopiikkien välillä. Tärkein vaatimus on kyky hankkia ja upottaa korkeataajuisia aaltovirtauksia, jotka saattavat saavuttaa satoja, ellei tuhansia vahvistimia säilyttäen samalla siedettäviä tappioita ja korkeaa luotettavuutta. Linja -autojännitteisiin on myös liikettä, jotta voidaan vähentää ohmisten menetyksiä tietyillä tehotasoilla. Tämä tarkoittaisi AL -elektrolytiikan sarjayhteyttä niiden luontaisella enimmäisjännitteen luokituksella noin 550 V. Jännitteen epätasapainon välttämiseksi voi olla tarpeen valita kalliit kondensaattorit, joilla on vastaavat arvot ja käyttävät jännitteen tasapainotusvastuksia niihin liittyvät tappiot ja kustannukset.
Luotettavuusongelma ei ole suoraviivainen, vaikka kontrolloiduissa olosuhteissa elektrolytiikat ovat verrattavissa tehoskalvoihin, mikä tarkoittaa, että ne kestävät tyypillisesti vain 20% ylijännitteestä ennen vaurioita. Sitä vastoin kalvon kondensaattorit kestävät ehkä 100% ylijännitteestä rajoitetun ajanjakson ajan. Vikaansa jälkeen elektrolytiikka voi oikosulua ja räjähtää, mikä vähentää koko sarjan/rinnakkaiskomponenttien pankin vaarallisella elektrolyyttipäästöllä. Elokuvakondensaattorit voivat myös parantaa, mutta järjestelmän luotettavuus toisinaan satunnaisen stressin olosuhteissa voi olla hyvin erilainen kahden tyypin välillä. Kuten kaikki komponentit, korkeat kosteustasot voivat heikentää kalvokondensaattorin suorituskykyä, ja parhaan luotettavuuden saavuttamiseksi tätä tulisi hallita hyvin. Toinen käytännöllinen erottaja on kalvojen kondensaattorien asennus helppous - niitä on saatavana eristetyinä, volumetrisesti tehokkaina suorakaiteen muotoisina koteloissa, joissa on erilaisia sähköliitäntävaihtoehtoja, ruuviterminaaleista kiinnikkeisiin, fastoneihin ja väyläpalkkeihin verrattuna tyypillisiin pyöreisiin metallirunkoihin elektrolytiikan. Ei-polaarinen dielektrinen kalvo antaa käänteisenkestävän asennuksen ja sallii käytön sovelluksissa, joissa AC: tä käytetään, kuten invertterin ja lähtösuodatuksen.
Tietysti on saatavana monia elokuvakondensaattorityyppejä, ja kuva 1 antaa yhteenvedon niiden vertailevista suorituksista [1]. Polypropeenikalvo on yleinen voittaja, kun häviöt ja luotettavuus stressissä ovat tärkeimmät näkökohdat sen alhaisen DF: n ja korkean dielektrisen hajoamisen vuoksi yksikköpaksuudesta. Muut kalvot voivat olla parempia lämpötila -luokille ja kapasitanssille/tilavuudelle, korkeammilla dielektriset vakiot ja ohuempi kalvon saatavuus, ja pienjännitteillä polyesteri on edelleen yleisesti käytössä. DF on erityisen tärkeä ja määritelty ESR/kapasitiivinen reaktanssi, ja se määritetään yleensä 1 kHz: llä ja 25 ° C: ssa. Matala DF verrattuna muihin dielektrikoihin merkitsee alhaisempaa lämmitystä ja on tapa verrata häviöitä mikrofaradia kohti. DF vaihtelee hiukan taajuuden ja lämpötilan mukaan, mutta polypropeeni toimii parhaiten. Kuviot 2 ja 3 esittävät tyypilliset tontit.
Kalvokondensaattorirakenteita on kahta päätyyppiä, jotka käyttävät kalvoa ja kerrostettua metallisointia, kuten kuvassa 4 esitetään noin 5 nm paksua metallikalvoa, käytetään tyypillisesti dielektristen kerrosten välillä sen korkean huippuvirran kyvyn suhteen, mutta se ei itse parane kestävän stressin jälkeen. Metalisoitunut kalvo muodostuu tyhjöllä ja tyypillisesti kerrostumalla Al 1200 ° C: ssa kalvoon noin 20–50 nm: n paksuuteen kalvon lämpötilan ollessa −25 - −35 ° C,
Kuva 3 DF: n variaatio polypropeenikalvon taajuudella.
Kuva 4 Elokuvan kondensaattorin rakenne
Vaikka sinkkiä (ZN) ja Al-Zn-seoksia voidaan käyttää myös. Tämä prosessi mahdollistaa itsensä parantamisen, jossa hajoamiset missä tahansa vaiheessa koko dielektrisen syyn paikallisella intensiivisellä lämmityksellä, ehkä jopa 6000 ° C: seen, aiheuttaen plasman muodostumisen. Rahoituskanavan ympärillä oleva metallointi höyrystyy, kun plasma sammuttaa purkaus, joka eristää vian ja jättää kondensaattorin täysin toiminnalliseksi. Kapasitanssin vähentäminen on minimaalinen, mutta lisäaine ajan myötä, mikä tekee siitä hyödyllisen indikaattorin komponentin ikääntymisestä.
Yleinen menetelmä lisää luotettavuuden parantamiseksi on segmentoida kalvon metallointi alueille, ehkä miljoonille, kapeat portit ruokkivat virtaa segmentteihin ja toimivat sulakkeina brutto ylikuormitusten suhteen. Metallointiin kulkevan virran kokonaispolun kaventuminen vähentää komponentin huippuvirran käsittelyä, mutta käyttöön otettu ylimääräinen turvamarginaali mahdollistaa kondensaattorin arvioida hyödyllisesti suuremmilla jännitteillä.
Nykyaikaisen polypropeenin dielektrisen lujuuden on noin 650 V/µm ja sitä on saatavana noin 1,9 um: n paksuuksina ja ylöspäin, joten kondensaattorin jännitekorkot ovat jopa useisiin kilovoltteihin saavutettavissa, joidenkin osat jopa 100 kV: n osiin. Suuremmilla jännitteillä osittaisen purkauksen (PD) ilmiö, joka tunnetaan myös nimellä koronapäästö, tulee tekijä. PD on mikrovoidien korkeajännitteisen erittely materiaalin suurimmassa osassa tai ilmakappaleissa materiaalikerrosten välillä, aiheuttaen osittaisen oikosulun kokonaiseristyspolusta. PD (Corona -purkaus) jättää lievän hiiliverron; Alkuperäinen vaikutus ei ole huomaamaton, mutta se voi kertyä ajan myötä, kunnes heikentyneen, hiilen jäljitetyn eristyksen karkea ja äkillinen hajoaminen tapahtuu. Vaikutus kuvataan Paschen -käyrällä, joka on esitetty kuvassa 5, ja sillä on ominainen perusta ja sukupuuttojännite. Kuvio näyttää kaksi esimerkkikentän vahvuutta. Paschen -käyrän yläpuolella olevat kohdat A todennäköisesti tuottavat PD -erittelyn.
Kuva 5 Paschen -käyrä ja esimerkki sähkökentän vahvuuksista.
Vaikutuksen torjumiseksi erittäin suuret jännitteen arvioidut kondensaattorit on kyllästetty öljylle, jotta ilma on poissuljettu kerrosrajapinnoista. Pienempijännitetyypit ovat yleensä hartsia täytetyissä, mikä myös auttaa mekaanisella kestävyydellä. Toinen ratkaisu on muodostaa sarjan kondensaattorit yksittäisiin koteloihin vähentäen tehokkaasti jännitteen pudotusta jokaisen poikki selvästi alkamisjännitteen alapuolelle. PD on vaikutus sähkökentän voimakkuudesta, joten dielektrisen paksuuden lisääminen jännitegradientin vähentämiseksi on aina mahdollista, mutta lisää kondensaattorin kokonaiskokoa. On olemassa kondensaattorisuunnittelijoita, jotka yhdistävät kalvot ja metallisaation kompromissin aikaansaamiseksi huippuvirran kyvyn ja itsensä parantamisen välillä. Metallointi voidaan myös luokitella kondensaattorin reunasta siten, että paksumpi materiaali reunoilla antaa paremman virrankäsittelyn ja vankemman lopettamisen juottamalla tai hitsaamalla, ja luokittelu voi olla jatkuvaa tai askeleen.
Ehkä on hyödyllistä ottaa askel taaksepäin ja tarkkailla, kuinka al-elektrolyyttisten kondensaattoreiden käyttö on edullista. Yksi esimerkki on 90%: n tehokas, 1 kW: n offline-muunnin, jolla on tehokerroin korjattu etuosa, joka tarvitsee 20 ms: n ajomatkan, kuten kuviossa 6 esitetään. Siinä on tyypillisesti sisäinen tasavirtaväylä, jolla on nimellisjännite, VN, 400 V: n ja pudotusjännitys, VD, 300 V: n alapuolella.
Irtokondensaattori C1 toimittaa energiaa vakiolähtövoiman ylläpitämiseksi määritetyn ajoajan aikana, kun väyläjännite putoaa 400: sta 300 V: iin seisokin jälkeen. Matemaattisesti PO T/H = 1/2 C (VN²-VD²) tai C = 2*1000*0,02/0,9*(400²-300²) = 634NF 450 V: n luokituksella.
Jos Al-elektrolyyttiset kondensaattorit käytetään, niin yhtälö johtaa vaadittuun tilavuuteen noin 52 cm3 (ts. 3 3: ssa), esim. TDK-EPCOS B43508 -sarjaa käytetään. Sitä vastoin kalvon kondensaattorit olisivat epäkäytännöllisesti suuria, mikä vaatii ehkä 15 rinnakkain 1 500 cm3 (ts. 91 3: ssa), jos käytetään TDK-EPCOS B32678 -sarjaa. Ero on ilmeinen, mutta valinta muuttuisi, jos kondensaattori tarvitaan DC -linjan aaltojänniteen hallitsemiseksi. Otetaan samanlainen esimerkki, jossa 400 V: n väylän jännite on peräisin akun, joten pidätyslaitetta ei vaadita. On kuitenkin tarpeen vähentää aaltoilua koskevaa vaikutusta esimerkiksi 4 V: n juurikerrokselle (RMS) 80 A RMS: n korkeataajuusvirtapulssista, jotka alavirran muunnin on ottanut 20 kHz: llä. Tämä voi olla sähköajoneuvojen sovellus, ja vaadittu kapasitanssi voidaan likimääräistä c = IRMS/vrippe.2.π.f = 80/4*2*3,14*20*1000 = 160 UF 450 V: n luokituksella.
Kuva 6 Kondensaattori ratsastaa läpi (pidä kiinni). HVDC: Korkeajännitteinen tasavirta.
Elektrolyyttisen nopeudella 180 uf, 450 V: n roplecurrent -luokitus on vain noin 3,5 A RMS 60 ° C: ssa, mukaan lukien taajuuskorjaus (EPCOS B43508 -sarja). Siten 80 A: n, 23 kondensaattorin kohdalla vaaditaan rinnakkain, tuottaen tarpeettoman 4 140 µF: n kokonaistilavuudella 1200 cm3 (ts. 73 3: ssa). Tämä noudattaa joskus lainatun 20 mA/µF: n aaltovirtaluokitusta elektrolyyttisille. Jos kalvon kondensaattoreita harkitaan, nyt vain neljä rinnakkain EPCOS B32678 Sarja antaa 132-A RMS-aaltovirtaluokituksen tilavuudessa 402 cm3 (ts. 24,5 3). Jos lämpötila on rajoitettu esimerkiksi alle 70 ° C: n ympäristön, niin pienempi tapauskoko voidaan silti valita. Vaikka valitsemme elektrolytiikkaa muilla perusteilla, ylimääräinen kapasitanssi voi aiheuttaa muita ongelmia, kuten inrush -virran energian hallintaa. Tietenkin, jos ohimeneviä ylijännitteitä voi tapahtua, kalvokondensaattorit olisivat paljon vankempia sovelluksessa. Esimerkki tästä olisi kevyessä pitossa, jossa ajoittainen yhteys kissanarjaan aiheuttaa liiallisesta tasavirtayhteydessä.
Tämä esimerkki on tyypillinen nykyään monille ympäristöille, kuten keskeyttämättömille virtalähdejärjestelmille, tuuli- ja aurinkoenergialle, hitsaus- ja ruudukko sidotuille inverttereille. Kustannuserot elokuvan ja AL -elektrolyyttien välillä voidaan tiivistää vuonna 2013 julkaistuissa lukuissa [2]. Tyypilliset DC-väylät korjattu 440 VAC: sta löytyvät taulukosta 1.
Muut sovellukset ovat irrottamista ja nykäisykipiiri muuntimissa tai inverttereissä. Tässä on käytettävä kalvo-/foliorakennetta, jos koko sallii, koska metallityypit vaativat erityisiä suunnittelu- ja valmistusvaiheita. Kondensaattori asetetaan DC-väylän poikki, jotta saadaan alhainen induktanssireiti kiertäville korkeataajuisille virroille, tyypillisesti 1 uf / 100 kohtaa. Ilman kondensaattoria virta kiertää korkeamman induktanssisilmukoiden läpi aiheuttaen ohimeneviä jännitteitä (VTR) seuraavien mukaan: vtr = -ldi/dt.
Kun nykyiset muutokset 1000 A/µs on mahdollista, vain muutama induktanssin nanohenri voi tuottaa merkittäviä jännitteitä. Painettujen piirien jäljen jäljet voivat olla induktanssi noin 1 nh/mm, mikä tarjoaa siten suunnilleen 1 VTR/mm tässä tilanteessa. Siksi on tärkeää, että yhteydet ovat mahdollisimman lyhyitä. DV/ DT: n ohjaamiseksi kytkimien poikki, kondensaattori ja vastus/ diodiverkko sijoitetaan rinnakkain IGBT tai MOSFET (kuva 7).
Tämä hidastaa soittoaan, hallitsee sähkömagneettisia häiriöitä (EMI) ja estää väärän kytkentä
Kuva 7 Kytkin napsahtaa. Kuva 8 Elokuvan kondensaattorit EMI -tukahduttamisena. Kuva 9 Kalvokondensaattorit moottoriveto EMC-suodatuksessa.
DV/DT, etenkin IGBT: ssä. Lähtökohtana on usein snibber -kapasitanssi suunnilleen kahdesti kytkimen lähtökapasitanssin ja asennuskapasitanssin summa, ja vastus valitaan sitten kriittisesti kosteuttamaan minkä tahansa soiton. Optimaalisia suunnittelumenetelmiä on muotoiltu.
Turvallisuusluokiteltuja polypropeenikondensaattoreita käytetään usein sähköjohtojen välillä EMI: n differentiaalitilan vähentämiseksi (kuva 8). Heidän kykynsä kestämään ohimeneviä ylijännitteitä ja itseparannusta ovat ratkaisevan tärkeitä. Näissä paikoissa kondensaattorit on luokiteltu X1: ksi tai X2: ksi, jotka kestävät vastaavasti 4- ja 2,5 kV: n transientit. Käytetyt arvot ovat usein mikrofaradissa saavuttaakseen tyypillisten sähkömagneettisten yhteensopivuusstandardien (EMC) vaatimusten noudattamisen korkeatehoisilla tasoilla. Kalvojen Y-tyypin kondensaattoreita voidaan käyttää myös linja-maa-asentoissa yleisen moodin kohinan vaimentamiseksi, jossa CA-tahdisteen arvo on rajoitettu vuotovirran näkökohtien vuoksi (kuva 8). Y1- ja Y2-versioita on saatavana vastaavasti 8- ja 5 kV: n ohimenevälle luokille. Elokuvan kondensaattorien alhaiset yhteyden induktanssit Auta myös pitämään itsensä resonanssit korkeina.
Kasvava sovellus ei polarisoimattomille kondensaattoreille on muodostaa alhaisen pääsyn suodattimet sarjojen induktoreilla, jotta voidaan heikentää korkean narsekvenssien harmonisia harmonisia asemien ja inverttereiden AC-tuotoksessa (kuva 9). Polypropeenikondensaattoreita käytetään usein niiden luotettavuuteen, korkeaan aaltovirtaluokitukseen ja levityksen hyvään tilavuustehokkuuteen, ja induktorit ja kondensaattorit pakataan usein yhdessä yhdessä moduulissa. Kuormat, kuten moottorit, ovat usein kaukana käyttöyksiköstä, ja suodattimia käytetään järjestelmien mahdollistamiseksi EMC -vaatimusten täyttämiseksi ja kaapeloinnin ja moottorien vähentämiseksi liiallisista DV/DT -tasoista.
