Colecția diversă de tipuri de condensatoare nu s-a schimbat prea mult în ultimii ani, dar aplicațiile cu siguranță s-au schimbat. În acest articol, ne uităm la modul în care sunt utilizați condensatorii în electronica de putere și comparăm tehnologiile disponibile. Condensatoare cu film își arată avantajele în aplicațiile viitoare, cum ar fi vehicule electrice , conversia energiei alternative și invertoare în drive-uri . Cu toate acestea, electroliticii din aluminiu (Al) sunt încă importanți atunci când densitatea de stocare a energiei este principala cerință.
Un condensator electrolitic sau film?
Este ușor de respins Al electrolitice ca tehnologia de ieri, dar diferențierea de performanță între ele și alternativa filmului nu este întotdeauna atât de clară. În ceea ce privește densitatea energiei stocate, adică jouli/centimetri cubi, aceștia sunt încă înaintea condensatoarelor cu film standard, deși variante exotice, cum ar fi segmentate înalte cristaline polipropilenă metalizată sunt comparabile. De asemenea, electroliticele Al își mențin valoarea curentului de ondulare la temperaturi mai ridicate mai bine decât condensatoarele de film concurente. Chiar și problemele percepute de viață și fiabilitate nu sunt atât de semnificative atunci când electroliticii de Al sunt reduse în mod corespunzător. Al electroliticele sunt încă foarte atractive acolo unde este necesară trecerea unei tensiuni de magistrală de c.c. la o întrerupere a curentului, fără rezervă a bateriei. De exemplu, atunci când costul este un factor determinant, este deosebit de dificil să anticipăm că condensatorii cu peliculă vor prelua de la condensatorii în vrac din sursele de alimentare off-line.
Filmul câștigă în multe feluri
Condensatorii cu film au câteva avantaje semnificative față de alți condensatori: ratingurile de rezistență în serie echivalentă (ESR) pot fi dramatic mai mici, ceea ce duce la o manipulare mult mai bună a curentului de ondulare. Evaluările de supratensiune sunt, de asemenea, superioare și, poate cel mai semnificativ, condensatoarele de film se pot auto-vindeca
FIG 1 Caracteristicile filmului condensatorului.
FIG 2 Variația DF cu temperatura pentru peliculă de polipropilenă.
După stres, ceea ce duce la o mai bună fiabilitate și durată de viață a sistemului. Cu toate acestea, capacitatea de auto-vindecare depinde de nivelul de stres, valorile de vârf și rata de repetiție. În plus, o eventuală defecțiune catastrofală este încă posibilă din cauza depunerii de carbon și a daunelor colaterale din arcul de plasmă generate în timpul curățării defecțiunii. Aceste caracteristici se potrivesc cu aplicațiile moderne de conversie a puterii în vehiculele electrice și sistemele de energie alternativă, unde nu este necesară întreruperile sau între vârfurile de ondulare a frecvenței de linie. Cerința principală este capacitatea de a genera și de a absorbi curenți ondulatori de înaltă frecvență care ar putea atinge sute, dacă nu mii de amperi, menținând în același timp pierderi tolerabile și fiabilitate ridicată. Există, de asemenea, o mișcare la tensiuni mai mari ale magistralei pentru a reduce pierderile ohmice la niveluri de putere date. Aceasta ar însemna o conexiune în serie a electroliticilor Al cu tensiunea nominală maximă inerentă de aproximativ 550 V. Pentru a evita un dezechilibru de tensiune, poate fi necesar să alegeți condensatorii scumpi cu valori potrivite și să folosiți rezistențe de echilibrare a tensiunii cu pierderile și costurile asociate.
Problema fiabilității nu este simplă, deși, în condiții controlate, electroliticele sunt comparabile cu filmul de putere, ceea ce înseamnă că vor rezista în mod obișnuit doar la 20% din supratensiune înainte să apară daune. În schimb, condensatoarele de film pot rezista probabil 100% la supratensiune pentru perioade limitate. La defectare, electroliticele pot scurtcircuita și exploda, distrugând un întreg banc de componente în serie/paralele cu o descărcare periculoasă de electroliți. Condensatorii cu film se pot auto-vindeca, dar fiabilitatea sistemului în condiții autentice de stres ocazional poate fi foarte diferită între cele două tipuri. Ca și în cazul tuturor componentelor, nivelurile ridicate de umiditate pot degrada performanța condensatorului de film și, pentru cea mai bună fiabilitate, aceasta ar trebui să fie bine controlată. Un alt diferențiator practic este ușurința de montare a condensatoarelor cu film — aceștia sunt disponibili în carcase dreptunghiulare izolate, eficiente din punct de vedere volumetric, cu o varietate de opțiuni de conectare electrică, de la terminale cu șurub la urechi, faston și bare colectoare, în comparație cu cutiile metalice rotunde tipice ale electrolitice. Pelicula dielectrică nepolară oferă o montare cu rezistență inversă și permite utilizarea în aplicații în care se aplică curent alternativ, cum ar fi filtrarea invertorului-ieșire.
Desigur, există multe tipuri dielectrice de condensatoare cu film disponibile, iar Figura 1 oferă un rezumat al performanțelor lor comparative [1]. Folia de polipropilenă este câștigătoarea generală atunci când pierderile și fiabilitatea în condiții de stres sunt principalele considerente din cauza DF scăzut și a defalcării dielectrice mari pe unitate de grosime. Celelalte pelicule pot fi mai bune pentru evaluarea temperaturii și capacitatea/volumul, cu constante dielectrice mai mari și disponibilitate de peliculă mai subțire și, la tensiuni joase, poliesterul este încă de uz comun. DF este deosebit de important și definit ca ESR/reatanță capacitivă și este de obicei specificat la 1 kHz și 25 °C. Un DF scăzut în comparație cu alți dielectrici implică o încălzire mai mică și este o modalitate de a compara pierderile pe microfarad. DF variază ușor în funcție de frecvență și temperatură, dar polipropilena funcționează cel mai bine. Figurile 2 și 3 arată diagramele tipice.
Există două tipuri principale de construcții de condensatoare cu peliculă care utilizează folie și metalizare depusă, așa cum se arată în Figura 4. Folia metalică cu o grosime de aproximativ 5 nm este de obicei utilizată între straturile dielectrice pentru capacitatea sa mare de curent de vârf, dar nu este de sine stătătoare. - vindeca dupa ce a suportat stresul. Filmul metalizat este format prin vid și prin depunerea de obicei de Al la 1.200 °C pe film până la o grosime de aproximativ 20–50 nm, cu temperatura filmului cuprins între -25 și -35 °C,
FIG 3 Variația DF cu frecvența filmului de polipropilenă.
FIG 4 Construcția condensatorului de film
deși pot fi utilizate și aliaje de zinc (Zn) și Al-Zn. Acest proces permite autovindecarea, în cazul în care defecțiunile în orice punct de-a lungul dielectricului provoacă o încălzire intensă localizată, poate până la 6.000 °C, determinând formarea unei plasme. Metalizarea din jurul canalului de defalcare este vaporizată, cu expansiunea rapidă a plasmei stingând descărcarea, ceea ce izolează defectul și lasă condensatorul complet funcțional. Reducerea capacității este minimă, dar aditivă în timp, făcându-l un indicator util al îmbătrânirii componentei.
O metodă obișnuită pentru îmbunătățirea în continuare a fiabilității este segmentarea metalizării de pe film în zone, poate milioane, cu porți înguste care alimentează curentul în segmente și acționând ca siguranțe pentru suprasarcinile brute. Îngustarea căii de curent total către metalizare reduce manevrarea curentului de vârf al componentei, dar marja de siguranță suplimentară introdusă permite ca condensatorul să fie evaluat util la tensiuni mai mari.
Polipropilena modernă are o rezistență dielectrică de aproximativ 650 V/µm și este disponibilă în grosimi de aproximativ 1,9 µm și mai mult, astfel încât tensiunile condensatoarelor de până la câțiva kilovolți sunt atinse în mod obișnuit, unele piese fiind chiar și la 100 kV. Cu toate acestea, la tensiuni mai mari, fenomenul de descărcare parțială (PD), cunoscut și sub numele de descărcare corona, devine un factor. PD este ruperea de înaltă tensiune a microgolurilor în cea mai mare parte a materialului sau în golurile de aer dintre straturile de material, provocând un scurtcircuit parțial al traseului total de izolație. PD (descărcare corona) lasă o ușoară urmă de carbon; efectul inițial este de neobservat, dar se poate acumula în timp până când apare o defalcare brută și bruscă a izolației slăbite, cu urme de carbon. Efectul este descris de curba Paschen, prezentată în Figura 5, și are o tensiune caracteristică de început și stingere. Figura prezintă două exemple de intensitate de câmp. Este posibil ca punctele de deasupra curbei Paschen, A, să producă o defalcare PD.
FIG 5 Curba Paschen și intensitatea câmpului electric de exemplu.
Pentru a contracara efectul, condensatoarele cu tensiune foarte mare sunt impregnate cu ulei pentru a exclude aerul din interfețele straturilor. Tipurile de tensiune joasă tind să fie umplute cu rășină, ceea ce ajută și la robustețea mecanică. O altă soluție este formarea de condensatoare în serie în carcase unice, reducând efectiv căderea de tensiune pe fiecare cu mult sub tensiunea de inițiere. PD este un efect datorat intensității câmpului electric, astfel încât creșterea grosimii dielectricului pentru a scădea gradientul de tensiune este întotdeauna posibilă, dar crește dimensiunea totală a condensatorului. Există modele de condensatoare care combină folii și metalizare pentru a oferi un compromis între capacitatea de curent de vârf și auto-vindecare. Metalizarea poate fi, de asemenea, gradată de la marginea condensatorului, astfel încât materialul mai gros de la margini să ofere o mai bună manipulare a curentului și o terminare mai robustă prin lipire sau sudare, iar gradarea poate fi continuă sau în trepte.
Este, probabil, util să facem un pas înapoi și să observăm cât de avantajoasă este utilizarea condensatoarelor electrolitice Al. Un exemplu este într-un convertor off-line de 1 kW cu eficiență de 90%, cu un front-end corectat în funcție de factor de putere, care necesită o trecere de 20 ms, așa cum se arată în Figura 6. De obicei, va avea o magistrală de c.c. internă cu tensiune nominală, Vn, de 400 V și o tensiune de întrerupere, Vd, de 300 V, sub care se pierde reglarea ieșirii.
Condensatorul în vrac C1 furnizează energie pentru a menține puterea de ieșire constantă în timpul de trecere specificat, deoarece tensiunea magistralei scade de la 400 la 300 V după o întrerupere. Matematic, Po t/h =1/2 C(Vn²-Vd²) sau C=2*1000*0,02/0,9*(400²-300²) =634nF la 450 V.
Dacă Condensatoare al-electrolitice sunt utilizate, atunci ecuația are ca rezultat un volum necesar de aproximativ 52 cm3 (adică, 3 în 3), de exemplu, dacă TDK-EPCOS Se utilizează seria B43508. Spre deosebire de aceasta, condensatoarele de film ar fi practic de mari, necesitând probabil 15 în paralel la un volum total de 1.500 cm3 (adică, 91 în 3) dacă este utilizată seria TDK-EPCOS B32678. Diferența este evidentă, dar alegerea s-ar schimba dacă condensatorul ar trebui să controleze tensiunea de ondulare pe o linie de curent continuu. Luați un exemplu similar în care tensiunea magistralei de 400 V este de la o baterie, deci nu este necesară reținerea. Cu toate acestea, este necesar să se reducă efectul de ondulare la, de exemplu, 4 V rădăcină pătratică medie (rms) de la impulsuri de curent de înaltă frecvență de 80 A rms preluate de un convertor din aval la 20 kHz. Aceasta ar putea fi o aplicație pentru vehicule electrice, iar capacitatea necesară poate fi aproximată de la C=irms/Vrippe.2.Π.f=80/4*2*3.14*20*1000=160 uF la 450 V.
FIG 6 Condensatorul pentru o plimbare prin (hold up). HVDC: DC de înaltă tensiune.
Un electrolitic la 180 µF, 450 V ar putea avea un curent nominal de ondulare de numai aproximativ 3,5 A rms la 60 °C, inclusiv corecția frecvenței (serie EPCOS B43508). Astfel, pentru 80 A, ar fi necesari 23 de condensatoare în paralel, producând un 4.140 µF inutil cu un volum total de 1.200 cm3 (adică, 73 în 3). Acest lucru respectă valoarea nominală a curentului de ondulare de 20 mA/µF, uneori citată pentru electrolitice. Dacă sunt luate în considerare condensatoarele de film, acum, doar patru în paralel de la EPCOS B32678 seria oferă o valoare nominală a curentului de ondulare de 132 A rms într-un volum de 402 cm3 (adică, 24,5 in 3). Dacă temperatura este limitată, de exemplu, la mai puțin de 70 °C ambientală, atunci poate fi totuși aleasă o dimensiune mai mică a carcasei. Chiar dacă alegem electrolitice pe alte motive, capacitatea în exces ar putea cauza alte probleme, cum ar fi controlul energiei în curentul de pornire. Desigur, dacă ar putea apărea supratensiuni tranzitorii, atunci condensatoarele de film ar fi mult mai robuste în aplicație. Un exemplu în acest sens ar fi în cazul tracțiunii ușoare, unde o conexiune intermitentă la o catenară provoacă supratensiune pe conexiunea DC-link.
Acest exemplu este tipic pentru multe medii de astăzi, cum ar fi sistemele de alimentare neîntreruptibilă, energia eoliană și solară, sudarea și invertoarele conectate la rețea. Diferențele de cost dintre film și electrolitice Al pot fi rezumate în cifre publicate în 2013 [2]. Costurile tipice pentru un DC-bus de la 440 Vac rectificat pot fi găsite în Tabelul 1.
Alte aplicații sunt pentru decuplare și circuite amortizoare în convertoare sau invertoare. Aici, construcția foliei/folie ar trebui utilizată dacă dimensiunea permite, deoarece tipurile metalizate necesită pași speciali de proiectare și fabricare. Ca decuplare, condensatorul este plasat peste magistrala de curent continuu pentru a oferi o cale de inductanță scăzută pentru circulația curenților de înaltă frecvență, de obicei 1 µF la 100 A comutați. Fără condensator, curentul circulă prin bucle cu inductanță mai mare, provocând tensiuni tranzitorii (Vtr) în conformitate cu următoarele: Vtr =-Ldi/dt.
Cu modificări de curent de 1.000 A/µs fiind posibile, doar câteva nanohenries de inductanță pot produce tensiuni semnificative. Urmele plăcilor de circuit imprimat pot avea o inductanță de aproximativ 1 nH/mm, oferind, prin urmare, aproximativ 1 Vtr/mm în această situație. Astfel, este important ca conexiunile să fie cât mai scurte posibil. Pentru a controla dV/dt prin comutatoare, condensatorul și o rețea de rezistență/diodă sunt plasate în paralel cu un IGBT sau MOSFET (Figura 7).
Acest lucru încetinește soneria, controlează interferența electromagnetică (EMI) și previne comutarea incorectă din cauza nivelului ridicat
FIG 7 Comutatorul se stinge. FIG 8 Condensatorii de film ca suprimare EMI. FIG 9 Condensatorii cu film în filtrarea EMC cu acţionare cu motor.
dV/dt, în special în IGBT-uri. Un punct de plecare este deseori facerea capacității amortizorului de aproximativ două ori mai mare decât suma capacității de ieșire a comutatorului și a capacității de montare, iar rezistorul este apoi ales pentru a amortiza critic orice sunet. Au fost formulate abordări de proiectare mai optime.
Condensatorii din polipropilenă cu grad de siguranță sunt adesea utilizați pe liniile de alimentare pentru a reduce EMI în modul diferențial (Figura 8). Capacitatea lor de a rezista la supratensiuni tranzitorii și de auto-vindecare este crucială. Condensatorii din aceste poziții sunt evaluați ca X1 sau X2, care pot rezista la tranzitorii de 4 și, respectiv, 2,5 kV. Valorile utilizate sunt adesea în microfarade pentru a atinge conformitatea cu standardele tipice de compatibilitate electromagnetică (EMC) la niveluri ridicate de putere. Condensatorii de tip Y cu peliculă pot fi, de asemenea, utilizați în poziții linie-pământ pentru a atenua zgomotul în modul comun, unde valoarea capacității este limitată din cauza considerațiilor privind curentul de scurgere (Figura 8). Versiunile Y1 și Y2 sunt disponibile pentru valori nominale tranzitorii de 8 și, respectiv, 5 kV. Inductanțe scăzute de conectare ale condensatoarelor de film de asemenea, ajută la menținerea auto-rezonanțelor ridicate.
O aplicație din ce în ce mai mare pentru condensatorii nepolarizați este formarea de filtre trece-jos cu inductori în serie pentru a atenua armonicile de înaltă frecvență în ieșirea ca a variațiilor și invertoarelor (Figura 9). Condensatorii din polipropilenă sunt adesea folosiți pentru fiabilitatea lor, puterea mare a curentului de ondulare și eficiența volumetrică bună în aplicație, iar inductoarele și condensatorii sunt adesea împachetate într-un singur modul. Încărcăturile, cum ar fi motoarele, sunt adesea îndepărtate de unitatea de acționare, iar filtrele sunt utilizate pentru a permite sistemelor să îndeplinească cerințele EMC și să reducă stresul asupra cablajului și a motoarelor de la niveluri dV/dt excesive.
