Colecția diversă de tipuri de condensatoare nu s -a schimbat prea mult în ultimii ani, dar aplicațiile au cu siguranță. În acest articol, ne uităm la modul în care condensatoarele sunt utilizate în electronice de putere și comparăm tehnologii disponibile. Condensatoare de film își arată avantajele în aplicațiile viitoare, cum ar fi Vehicule electrice , alter- conversia puterii energetice native și Invertoare în unități . Cu toate acestea, electrolitica din aluminiu (AL) este încă importantă atunci când densitatea de stocare a energiei este principala cerință.
Condensator electrolitic sau de film?
Este ușor de respins Electrolitica Al Ca tehnologia de ieri, dar diferențierea performanței dintre ei și alternativa filmului nu este întotdeauna atât de clară. În ceea ce privește densitatea energetică stocată, adică joule/centimetri cubi, ei sunt încă în fața condensatoarelor de film standard, deși variante exotice, cum ar fi segmentată cu cristalină ridicată Polipropilenă metalizată sunt comparabile. De asemenea, electrolitica Al își mențin ratingul cu curent de ondulare la temperaturi mai ridicate mai bine decât condensatoarele de film concurente. Chiar și problemele de viață și fiabilitate percepute nu sunt atât de semnificative atunci când electrolitica AL sunt declanșate în mod corespunzător. Electrolitica Al este încă foarte atractivă în cazul în care este necesară o tensiune de autobuz DC pe o întrerupere a energiei electrice, fără a face back-up al bateriei. De exemplu, atunci când costul este un factor de conducere, este deosebit de dificil să anticipezi condensatorii de film care preiau condensatoarele în vrac în sursele de alimentare off-line.
Filmul câștigă în multe feluri
Condensatoarele de film au mai multe avantaje semnificative față de alți condensatori: evaluările echivalente ale rezistenței la seria (ESR) pot fi dramatic mai mici, ceea ce duce la o manipulare mult mai bună. Evaluările de creștere a tensiunii sunt, de asemenea, superioare și, poate cel mai semnificativ, condensatoarele de film se pot vindeca de sine
Fig 1 Caracteristicile filmului condensator.
Fig. 2 Variația DF cu temperatura pentru pelicula de polipropilenă.
După stres, ceea ce duce la o mai bună fiabilitate a sistemului și viață. Cu toate acestea, capacitatea de a se vindeca depinde de nivelul de stres, de valorile maxime și de rata de repetare. În plus, eventualitatea catastrofală este încă posibilă din cauza depunerii de carbon și a deteriorării colaterale din arcul plasmatic generat în timpul compensării defecțiunilor. Aceste caracteristici se potrivesc cu aplicațiile moderne de conversie a puterii în vehicule electrice și sisteme alternative de energie, unde nu este necesară o reținere cu întreruperi sau între vârfurile de ondulare de frecvență. Cerința principală este capacitatea de a sursa și scufunda curenți de ondulare de înaltă frecvență care ar putea ajunge la sute, dacă nu mii de amperi, menținând în același timp pierderi tolerabile și fiabilitate ridicată. Există, de asemenea, o mișcare către tensiuni mai mari de autobuz pentru a reduce pierderile ohmice la nivelurile de putere date. Aceasta ar însemna o conexiune în serie a electroliticii AL cu calitatea lor de tensiune maximă inerentă de aproximativ 550 V. Pentru a evita un dezechilibru de tensiune, poate fi necesar să alegeți condensatoarele scumpe cu valori potrivite și să utilizați rezistențe de echilibrare a tensiunii cu pierderile și costurile lor asociate.
Problema de fiabilitate nu este simplă, deși, în condiții controlate, electrolitica este comparabilă cu filmul electric, ceea ce înseamnă că, de obicei, vor rezista la doar 20% din supratensiunea înainte de a se produce deteriorarea. În schimb, condensatorii de film pot rezista poate 100% din supratensiunea pentru perioade limitate. La defecțiune, electrolitica poate scurtcircuit și exploda, eliminând o bancă întreagă de serii/componente paralele cu o descărcare periculoasă de electrolit. Condensatoarele de film se pot vindeca de asemenea, 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, acest lucru ar trebui să fie bine controlat. Un alt diferențiator practic este ușurința condensatoarelor de film de montare - sunt disponibile în carcase de cutie dreptunghiulare izolate, eficiente volumetric, cu o varietate de opțiuni de conectare electrică, de la terminale cu șuruburi până la baghete, fastoni și bare de autobuz, în comparație cu conservele metalice rotunde tipice de electrolic. Filmul dielectric nonpolar oferă o montare rezistentă la invers și permite utilizarea în aplicații în care se aplică AC, cum ar fi în filtrarea inverter-ieșire.
Desigur, există multe tipuri dielectrice ale condensatorului de film disponibile, iar figura 1 oferă un rezumat al performanțelor lor comparative [1]. Filmul de polipropilenă este câștigătorul general atunci când pierderile și fiabilitatea sub stres sunt principalele considerente din cauza DF scăzută și a defalcării dielectrice ridicate pe grosimea unității. Celelalte filme pot fi mai bune pentru evaluarea temperaturii și capacitatea/volumul, cu constante dielectrice mai mari și disponibilitate mai subțire a filmului și, la tensiuni mici, poliesterul este încă în uz comun. DF este deosebit de important și definit ca Reactanță ESR/capacitivă și este de obicei specificat la 1 kHz și 25 ° C. Un DF scăzut în comparație cu alte dielectrice 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 prezintă parcelele tipice.
Există două tipuri principale de construcții de condensator de film care folosesc folie și metalizare depusă, așa cum se arată în figura 4. Foia metalică care este de aproximativ 5 nm grosime este de obicei utilizată între straturile dielectrice pentru capacitatea sa de vârf ridicat, dar nu se vindecă autodepășiți după stresul de durată. Filmul metalizat este format dintr -un vid și, de obicei, depunerea Al la 1.200 ° C pe film la o grosime de aproximativ 20–50 nm, cu temperatura filmului cuprinsă între -25 și -35 ° C,
Fig 3 Variația DF cu frecvența pentru film de polipropilenă.
Fig. 4 Construcția condensatorului de film
Deși pot fi utilizate și aliaje de zinc (Zn) și al-Zn. Acest proces permite auto-vindecarea, în cazul în care defecțiunile în orice moment de-a lungul dielectricului provoacă încălzire intensă localizată, poate până la 6.000 ° C, determinând formarea unei plasme. Metalizarea în jurul canalului de defalcare este vaporizată, cu expansiunea rapidă a plasmei care stinge descărcarea, care izolează defectul și lasă condensatorul complet funcțional. Reducerea capacitanței este minimă, dar aditivă în timp, ceea ce îl face un indicator util al îmbătrânirii componentei.
O metodă comună pentru îmbunătățirea fiabilității suplimentare este de a segmenta metalizarea pe film în zone, poate milioane, cu porți înguste care alimentează curentul în segmente și acționând ca siguranțe pentru supraîncărcări brute. Regustarea căii totale de curent către metalizare reduce manipularea maximă a curentului componentei, dar marja de siguranță suplimentară introdusă permite condensatorului să fie evaluat în mod util la tensiuni mai mari.
Polypropilena modernă are o rezistență dielectrică de aproximativ 650 V/µm și este disponibilă în grosimi de aproximativ 1,9 µm și în sus, astfel încât evaluările tensiunii condensatoare până la mai multe kilovolte sunt de obicei atinse, unele părți chiar evaluate la 100 kV. Cu toate acestea, la tensiuni mai mari, fenomenul descărcării parțiale (PD), cunoscut și sub denumirea de descărcare de coronă, devine un factor. PD este defalcarea de înaltă tensiune a microvoidelor în cea mai mare parte a materialului sau în golurile de aer între straturile de material, provocând un scurtcircuit parțial al căii de izolare totală. PD (descărcarea de corona) lasă o ușoară urmă de carbon; Efectul inițial este neobservat, dar se poate acumula de-a lungul timpului până când are loc o descompunere brută și bruscă a izolației slăbite, trasate pe carbon. Efectul este descris de curba Paschen, prezentată în figura 5 și are o incepție caracteristică și tensiunea de extincție. Figura prezintă două puncte forte ale câmpului. Punctele deasupra curbei Paschen, A, sunt susceptibile să producă o defalcare PD.
Fig 5 Curba Paschen și Exemplu de puncte electrice ale câmpului electric.
Pentru a contracara efectul, condensatoarele foarte ridicate de tensiune sunt impregnate cu ulei pentru a exclude aerul din interfețele stratului. Tipurile de tensiune mai mică tind să fie umplute cu rășină, ceea ce ajută, de asemenea, la robustetea mecanică. O altă soluție este de a forma condensatoare de serie în carcase unice, reducând eficient căderea de tensiune pe fiecare la mult sub tensiunea de început. PD este un efect datorat intensității câmpului electric, astfel încât creșterea grosimii dielectrice pentru a reduce gradientul de tensiune este întotdeauna posibilă, dar crește dimensiunea totală a condensatorului. Există modele de condensator care combină folii și metalizarea pentru a oferi un compromis între capacitatea maximă de curent și auto-vindecarea. Metalizarea poate fi, de asemenea, clasificată de la marginea condensatorului, astfel încât materialul mai gros de la margini să ofere o manipulare mai bună curentă și o terminație mai robustă prin lipire sau sudare, iar gradarea poate fi continuă sau pasată.
Este, poate, util să faceți un pas înapoi și să observați cum este avantajos utilizarea condensatoarelor al-electrolitice. Un exemplu este într-un convertor off-line de 90%-eficient, cu un capăt frontal corectat cu factorul de putere, care are nevoie de o călătorie de 20 de ms, așa cum se arată în figura 6. De obicei, va avea un autobuz DC intern cu tensiune nominală, VN, de 400 V și o tensiune de renunțare, VD, de 300 V, sub care regulamentul de ieșire este pierdut.
Condensatorul în vrac C1 furnizează energie pentru a menține puterea de ieșire constantă în timpul de călătorie specificat, pe măsură ce tensiunea autobuzului 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 rating.
Dacă Condensatoare al-electrolitice sunt utilizate, apoi ecuația are ca rezultat un volum necesar de aproximativ 52 cm3 (adică 3 în 3), de exemplu, dacă TDK-EPCOS Se utilizează seria B43508. În schimb, condensatorii de film ar fi impractic, necesitând poate 15 în paralel la un volum total de 1.500 cm3 (adică 91 în 3) dacă se utilizează seria TDK-EPCOS B32678. Diferența este evidentă, dar alegerea s -ar schimba dacă condensatorul ar trebui să controleze tensiunea de ondulare pe o linie DC. Luați un exemplu similar în care tensiunea de autobuz de 400 V este dintr-o baterie, astfel încât menținerea nu este necesară. Cu toate acestea, este necesară reducerea efectului de ondulare la, de exemplu, 4 V, rădăcină medie pătrată (RMS) de la 80 A impulsuri de curent de înaltă frecvență RMS luate de un convertor în aval la 20 kHz. Aceasta ar putea fi o aplicație de 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 rating.
Fig 6 Condensatorul pentru o plimbare (ține -te). HVDC: DC de înaltă tensiune.
Un electrolitic la 180 µF, 450 V poate avea un rating Ripplecurent de doar aproximativ 3,5 A rms la 60 ° C, inclusiv corectarea frecvenței (seria EPCOS B43508). Astfel, pentru 80 A, 23 de condensatoare ar fi necesari în paralel, producând un număr inutil de 4.140 µF cu un volum total de 1.200 cm3 (adică 73 în 3). Acest lucru respectă ratingul de curent de 20 mA/µF uneori citat pentru electrolitică. Dacă condensatorii de film sunt considerați, acum, doar patru în paralel cu EPCOS B32678 Seria oferă un rating de ondulare de 132-A RMS într-un volum de 402 cm3 (adică 24,5 în 3). Dacă temperatura este limitată la, de exemplu, mai puțin de 70 ° C ambientală, atunci se poate alege o dimensiune mai mică a carcasei. Chiar dacă alegem electrolitice din alte motive, capacitatea de exces ar putea provoca alte probleme, cum ar fi controlul energiei în curentul de intrare. 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 tracțiune ușoară, în care o conexiune intermitentă la o catenar provoacă supratensiune pe conexiunea DC-Link.
Acest exemplu este tipic pentru multe medii astăzi, cum ar fi în sisteme de alimentare neîntreruptă, energie eoliană și solară, sudare și invertoare legate de grilă. Diferențele de costuri între electrolitice de film și Al pot fi rezumate în cifrele publicate în 2013 [2]. Costurile tipice pentru un bus DC de la 440 VAC rectificat pot fi găsite în tabelul 1.
Alte aplicații sunt pentru decuplare și Circuite Snubber în convertoare sau invertoare. Aici, construcția de film/folie ar trebui să fie utilizată dacă mărimea permite, deoarece tipurile metalizate necesită etape speciale de proiectare și fabricație. Ca decuplare, condensatorul este plasat în autobuzul DC pentru a oferi o cale de inductanță scăzută pentru circulația curenților de înaltă frecvență, de obicei 1 µf la 100 A comutat. Fără condensator, curentul circulă prin bucle de inductanță mai mare, provocând tensiuni tranzitorii (VTR) în funcție de următoarele: VTR = -DI/DT.
Cu modificări actuale de 1.000 A/µs posibile, doar câteva nanohenries de inductanță pot produce tensiuni semnificative. Urmele de bord de circuit tipărit 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. Pentru a controla DV/ DT pe întrerupătoare, condensatorul și o rețea de rezistență/ diode sunt plasate în paralel cu un IGBT sau MOSFET (Figura 7).
Acest lucru încetinește sună, controlează interferența electromagnetică (EMI) și previne comutarea spuroasă din cauza ridicatului
Fig 7 Comutatorul snubbing. Fig. 8 Condensatorii filmului ca suprimare a EMI. Fig. 9 Condensatoarele de film în filtrarea EMC cu acționare a motorului.
DV/DT, în special în IGBTS. Un punct de plecare este adesea să faci capacitatea de snubber aproximativ de două ori mai mare decât suma capacității de ieșire a comutatorului și capacitatea de montare, iar rezistența este apoi aleasă pentru a umezi în mod critic orice sunet. Au fost formulate abordări mai optime de proiectare.
Condensatoarele de polipropilenă evaluată de siguranță sunt adesea utilizate pe linii electrice pentru a reduce modul diferențial EMI (Figura 8). Capacitatea lor de a rezista supratensiunilor tranzitorii și vindecării de sine este crucială. Condensatoarele din aceste poziții sunt evaluate ca X1 sau X2, care pot rezista la tranzitorii 4- și 2,5-kV, respectiv. Valorile utilizate sunt adesea în microfarade pentru a obține respectarea standardelor tipice de compatibilitate electromagnetică (EMC) la niveluri ridicate de putere. Condensatoarele de tip Y de film pot fi, de asemenea, utilizate în poziții de la linie la pământ pentru a atenua zgomotul modului comun unde valoarea pacității CA este limitată din cauza considerațiilor de curent de scurgere (Figura 8). Versiunile Y1 și Y2 sunt disponibile pentru evaluări tranzitorii de 8 și 5 kV, respectiv. Inductanțe de conexiune scăzută a condensatoarelor de film De asemenea, ajutați la menținerea auto-resonanțelor ridicate.
O aplicație din ce în ce mai mare pentru condensatoare nepolarizate este de a forma filtre de trecere scăzută cu inductori de serie pentru a atenua armonicele de înaltă frecvență în producția de curent alternativ al unităților și invertoarelor (figura 9). Condensatoarele de polipropilenă sunt adesea utilizate pentru fiabilitatea lor, calificativul ridicat de ondulare și o bună eficiență volumetrică în aplicație, iar inductorii și condensatorii sunt adesea ambalați împreună într-un singur modul. Încărcările precum motoarele sunt adesea îndepărtate de unitatea de acționare, iar filtrele sunt utilizate pentru a permite sistemelor să îndeplinească cerințele EMC și să reducă stresul pe cablare și motoarele de la niveluri excesive de DV/DT.
