Kondansatör tiplerinin çeşitli koleksiyonu son yıllarda çok fazla değişmedi, ancak uygulamalar kesinlikle var. Bu makalede, kapasitörlerin güç elektroniğinde nasıl kullanıldığına bakıyoruz ve mevcut teknolojileri karşılaştırıyoruz. Film kapasitörleri gibi yaklaşan uygulamalarda avantajlarını gösteriyorlar elektrikli araçlar , alternatif enerji gücü dönüşümü ve Sürücülerdeki İnvertörler . Bununla birlikte, enerji depolama yoğunluğu ana gereksinim olduğunda alüminyum (AL) elektrolitik hala önemlidir.
AL elektrolitik mi yoksa film kapasitörü mi?
Reddetmek kolay Elektrolitik Dünün teknolojisi gibi, ancak onlar ve film alternatifi arasındaki performans farklılaşması her zaman o kadar da açık değildir. Depolanan enerji yoğunluğu, yani joule/kübik santimetre açısından, segmentli yüksek kristalin gibi egzotik varyantlar olmasına rağmen, hala standart film kapasitörlerinin önünde. metalize polipropilen karşılaştırılabilir. Ayrıca, AL elektrolitik, dalgalanma akım derecelerini daha yüksek sıcaklıklarda rakip film kapasitörlerinden daha iyi korur. AL elektrolitikleri uygun şekilde birleştirildiğinde algılanan yaşam ve güvenilirlik sorunları bile o kadar önemli değildir. AL elektrolitik, pil yedeklemesi olmadan bir elektrik kesintisine bir DC veri yolu voltajının sürülmesinin gerekli olduğu yerlerde hala çok çekicidir. Örneğin, maliyet bir sürüş faktörü olduğunda, emtia çevrimdışı güç kaynaklarındaki dökme kapasitörlerden devralan film kapasitörlerini tahmin etmek özellikle zordur.
Film kazanır birçok yönden
Film kapasitörlerinin diğer kapasitörlere göre birkaç önemli avantajı vardır: eşdeğer seri direnç (ESR) derecelendirmeleri önemli ölçüde daha düşük olabilir, bu da çok daha iyi ripplecurrent kullanımına yol açabilir. Dalgalanma voltaj derecelendirmeleri de üstündür ve belki de en önemlisi film kapasitörleri kendi kendini iyileştirebilir
Şekil 1 Kapasitör film özellikleri.
Şekil 2 DF'nin polipropilen film için sıcaklık ile değişimi.
Stresden sonra, daha iyi sistem güvenilirliğine ve ömrüne yol açar. Bununla birlikte, kendini iyileştirme yeteneği stres seviyesine, tepe değerlerine ve tekrarlama oranına bağlıdır. Ek olarak, karbon birikimi ve hata temizleme sırasında üretilen plazma arkından teminat hasarı nedeniyle nihai felaket başarısızlığı hala mümkündür. Bu özellikler, elektrikli araçlarda ve alternatif enerji sistemlerinde, kesintilerle veya hat frekanslı dalgalanma zirveleri arasında tutulması gereken alternatif enerji sistemlerinde modern uygulamalarla eşleşir. Ana gereksinim, tolere edilebilir kayıpları ve yüksek güvenilirliği korurken binlerce amper olmasa bile yüzlerce kişiye ulaşabilecek yüksek frekanslı dalgalanma akımlarını kaynaklama ve batma yeteneğidir. Ayrıca, verilen güç seviyelerinde ohmik kayıpları azaltmak için daha yüksek veri yolu voltajlarına bir hareket vardır. Bu, AL elektrolitiklerinin doğal maksimum voltaj derecelendirmeleri ile yaklaşık 550 V ile bir seri bağlantısı anlamına gelir. Bir voltaj dengesizliğini önlemek için, eşleşen değerlere sahip pahalı kapasitörleri seçmek ve ilişkili kayıpları ve maliyetleri ile voltaj dengeleme dirençlerini kullanmak gerekebilir.
Güvenilirlik sorunu basit değildir, ancak kontrollü koşullar altında elektrolitik güç filmi ile karşılaştırılabilir, yani hasar gerçekleşmeden önce tipik olarak aşırı gerilimin sadece% 20'sine dayanacaktır. Buna karşılık, film kapasitörleri sınırlı dönemler için belki de% 100 aşırı gerilim dayanabilir. Başarısızlık üzerine elektrolitik kısa devre ve patlayabilir, tehlikeli bir elektrolit deşarjına sahip tüm seri/paralel bileşenler bankasını indirebilir. Film kapasitörleri de kendi kendini iyileştirebilir, ancak ara sıra stresin otantik koşulları altında sistem güvenilirliği iki tip arasında çok farklı olabilir. Tüm bileşenlerde olduğu gibi, yüksek nem seviyeleri film kapasitör performansını bozabilir ve en iyi güvenilirlik için bu iyi kontrol edilmelidir. Başka bir pratik farklılaştırıcı, film kapasitörlerinin montaj kolaylığıdır - vida terminallerinden, elektrolitiklerin tipik yuvarlak metal kutularına kıyasla, vida terminallerinden pabuçlara, fastonlara ve veri yolu çubuklarına kadar çeşitli elektrik bağlantı seçeneklerine sahip yalıtımlı, hacimli verimli dikdörtgen kutu muhafazalarında mevcuttur. Polar olmayan dielektrik film, ters dayanıklı montaj sağlar ve AC'nin uygulandığı uygulamalarda, invertör-çıkış filtrelemesinde olduğu gibi kullanılmasına izin verir.
Tabii ki, birçok film kapasitör dielektrik tipi vardır ve Şekil 1 karşılaştırmalı performanslarının bir özetini vermektedir [1]. Polipropilen film, düşük DF ve birim kalınlığı başına yüksek dielektrik arızası nedeniyle stres altındaki kayıplar ve güvenilirlik ana hususlar olduğunda genel kazanandır. Diğer filmler sıcaklık derecesi ve kapasitans/hacim, daha yüksek dielektrik sabitler ve daha ince film mevcudiyeti ile daha iyi olabilir ve düşük voltajlarda polyester hala yaygın olarak kullanılmaktadır. DF özellikle önemlidir ve ESR/kapasitif reaktans olarak tanımlanır ve genellikle 1 kHz ve 25 ° C'de belirtilir. Diğer dielektriklere kıyasla düşük bir DF, daha düşük ısıtma anlamına gelir ve mikrofara başına kayıpları karşılaştırmanın bir yoludur. DF frekans ve sıcaklığa göre biraz değişir, ancak polipropilen en iyi performans gösterir. Şekil 2 ve 3 tipik parselleri göstermektedir.
Şekil 4'te gösterildiği gibi, folyo kullanan ve biriken metalizasyon kullanan iki ana film kapasitör yapısı vardır. Metalize film, bir vakumla ve tipik olarak AL'yi 1.200 ° C'de film üzerine, filmin sıcaklığı −25 ila −35 ° C arasında değişen kabaca 20-50 nm kalınlığında biriktirilerek oluşturulur.
Şekil 3 Polipropilen film frekansı ile DF'nin varyasyonu.
Şekil 4 Film kapasitör yapısı
Her ne kadar çinko (Zn) ve al-zn alaşımları da kullanılabilir. Bu işlem, dielektrik boyunca herhangi bir noktadaki arızaların, belki de 6.000 ° C'ye kadar lokalize yoğun ısıtmaya neden olan ve bir plazmanın oluşmasına neden olduğu kendini iyileştirmeyi sağlar. Arıza kanalı etrafındaki metalleşme buharlaşır, plazmanın hızla genişlemesi, boşluğu izole eden ve kapasitörü tamamen fonksiyonel bırakan deşarjı giderir. Kapasitansın azaltılması minimaldir, ancak zaman içinde katkı maddesidir, bu da onu bileşenin yaşlanmasının yararlı bir göstergesidir.
Daha fazla güvenilirlik artışı için yaygın bir yöntem, filmdeki metalizasyonu, belki de milyonlarca, akımı segmentlere besleyen ve brüt aşırı yükler için sigorta olarak hareket eden alanlara, belki de milyonlara ayrılmaktır. Metalizasyona yönelik toplam akım yolunun daralması, bileşenin tepe akım işlemini azaltır, ancak eklenen ekstra güvenlik marjı, kapasitörün daha yüksek voltajlarda kullanışlı bir şekilde derecelendirilmesini sağlar.
Modern polipropilen yaklaşık 650 v/um dielektrik mukavemete sahiptir ve kabaca 1.9 um ve yukarı doğru kalınlıklarda mevcuttur, bu nedenle birkaç kilovolt'a kadar olan kapasitör voltaj dereceleri rutin olarak elde edilebilir, bazı parçalar 100 kV'de bile derecelendirilir. Bununla birlikte, daha yüksek voltajlarda, korona deşarjı olarak da bilinen kısmi deşarj olgusu (PD) bir faktör haline gelir. PD, mikrovoidlerin malzemenin büyük kısmındaki veya malzeme katmanları arasındaki hava boşluklarındaki yüksek voltajlı bozulmasıdır ve toplam yalıtım yolunun kısmi kısa devresine neden olur. PD (korona deşarjı) hafif bir karbon izi bırakır; İlk etki farkedilemez, ancak zayıflamış, karbon izlemeli yalıtımın brüt ve ani bozulması meydana gelene kadar zamanla birikebilir. Etki, Şekil 5'te gösterilen Paschen eğrisi ile tarif edilir ve karakteristik bir başlangıç ve yok olma voltajına sahiptir. Şekil iki örnek alan güçlü yönlerini göstermektedir. Paschen eğrisinin üzerindeki noktaların, A, bir PD dökümü üretmesi muhtemeldir.
Şekil 5 Paschen eğrisi ve örnek elektrik alan kuvvetleri.
Etkiye karşı koymak için, çok yüksek voltaj dereceli kapasitörler, havayı tabaka arayüzlerinden hariç tutmak için yağ emdirilir. Düşük voltaj tipleri reçine dolu olma eğilimindedir, bu da mekanik sağlamlığa yardımcı olur. Başka bir çözüm, tek gövdelerde seri kapasitörler oluşturmaktır, bu da voltaj düşüşünü başlangıç voltajının çok altına kadar etkili bir şekilde azaltmaktır. PD, elektrik alan yoğunluğundan kaynaklanan bir etkidir, bu nedenle voltaj gradyanını azaltmak için artan dielektrik kalınlığın her zaman mümkündür, ancak kapasitörün toplam boyutunu arttırır. Pik akım kapasitesi ile kendini iyileştirme arasında bir uzlaşma sağlamak için folyoları ve metalizasyonu birleştiren kapasitör tasarımları vardır. Metalleştirme, kapasitörün kenarından da derecelendirilebilir, böylece kenarlardaki daha kalın malzeme daha iyi akım kullanımı ve lehimleme veya kaynak ile daha sağlam bir sonlandırma sağlar ve derecelendirme sürekli veya bastırılabilir.
Belki de geri adım atmak ve elektrolitik kapasitörlerin kullanmanın nasıl avantajlı olduğunu gözlemlemek yararlıdır. Bir örnek, Şekil 6'da gösterildiği gibi, 20 ms'lik bir sürüşe ihtiyaç duyan,%90-verimli, 1-kW'lık bir çevrimdışı dönüştürücüdedir. Tipik olarak nominal voltaj, VN, 400 V ve bir bırakma voltajı olan bir dahili DC veri yoluna sahip olacaktır.
Yığın kapasitör C1, belirtilen sürüş süresi boyunca sabit çıkış gücünü korumak için enerji sağlar. Matematiksel olarak, PO T/H = 1/2 C (VN²-VD²) veya C = 2*1000*0.02/0.9*(400²-300²) = 634NF 450 V derecesinde.
Eğer Elektrolitik kapasitörler kullanılırsa, denklem gerekli hacim kabaca 52 cm3 ile sonuçlanır (yani 3'te 3), örneğin, TDK-EPCOS B43508 serisi kullanılır. Buna karşılık, film kapasitörleri pratik olarak büyük olacaktır, eğer TDK-EPCOS B32678 serisi kullanılırsa, toplam 1.500 cm3 (yani, 3 inç) toplam hacimde 15 paralel gerektirir. Fark açıktır, ancak kapasitörün bir DC hattındaki dalgalanma voltajını kontrol etmek için gerekirse seçim değişecektir. 400-V veri yolu voltajının bir pilden geldiği benzer bir örnek alın, bu nedenle tutma gerekli değildir. Bununla birlikte, dalgalanma etkisini, örneğin 4 V kök ortalama karesi (RMS), 80 kHz'de bir aşağı akış dönüştürücü tarafından alınan RMS yüksek frekanslı akım darbelerinden azaltmaya ihtiyaç vardır. Bu bir elektrikli araç uygulaması olabilir ve gerekli kapasitans C = IRMS/VRIPPE.2.π.f = 80/4*2*3.14*20*1000 = 160 UF'den 450 V derecelendirmede tahmin edilebilir.
Şekil 6 Bir sürüş için kapasitör (bekletme). HVDC: Yüksek voltaj DC.
180 uF, 450 V'da bir elektrolitik, frekans düzeltmesi (EPCOS B43508 serisi) dahil olmak üzere 60 ° C'de sadece kabaca 3.5 rms'lik bir ripplecerent değerine sahip olabilir. Bu nedenle, 80 A için paralel olarak 23 kapasitör gerekli olacak ve toplam hacim 1.200 cm3 (yani 3'te 73) ile gereksiz bir 4,140 uF üretecektir. Bu, elektrolitik için bazen alıntı 20 mA/µF dalgalanma akımı derecesine uygundur. Film kapasitörleri düşünülürse, şimdi sadece dört tanesi paralel olarak EPCOS B32678 Seri, 402 cm3 hacminde 132-A RMS dalgalanma akımı derecesi verir (yani 3'te 24,5). Sıcaklık, örneğin 70 ° C'den az ortam ile sınırlıysa, daha küçük bir kasa boyutu hala seçilebilir. Elektrolitikleri diğer gerekçelerle seçsek bile, aşırı kapasitans, inrush akımındaki enerjiyi kontrol etmek gibi diğer sorunlara neden olabilir. Tabii ki, geçici aşırı gerilimler meydana gelebilirse, film kapasitörleri uygulamada çok daha sağlam olacaktır. Bunun bir örneği, bir katenere aralıklı bir bağlantının DC-bağlantı bağlantısında aşırı gerilime neden olduğu hafif çekişte olacaktır.
Bu örnek, kesintisiz güç kaynağı sistemleri, rüzgar ve güneş enerjisi, kaynak ve ızgara bağlı invertör gibi birçok ortam için tipiktir. Film ve AL elektrolitik arasındaki maliyet farklılıkları 2013 yılında yayınlanan şekillerde özetlenebilir [2]. Rektifiye 440 VAC'den bir DC-Bus için tipik maliyetler Tablo 1'de bulunabilir.
Diğer uygulamalar ayrıştırma içindir ve Snubber devreleri dönüştürücülerde veya invertörlerde. Burada, metalize türler özel tasarım ve üretim adımları gerektirdiğinden, boyut izin verirse film/folyo yapısı kullanılmalıdır. Ayrıştırma olarak, kapasitör, yüksek frekanslı akımların dolaşımı için düşük bir endüktans yolu sağlamak için DC veri yolu üzerinden yerleştirilir, tipik olarak 100 A anahtarlamalı olarak 1 uF. Kondansatör olmadan, akım daha yüksek endükgele döngüler boyunca dolaşır ve aşağıdakilere göre geçici voltajlara (VTR) neden olur: vtr = -ldi/dt.
1.000 A/µs'lik mevcut değişiklikler mümkün olduğunda, sadece birkaç nanohenries endüktans önemli voltajlar üretebilir. Basılı devre tahtası izleri, bu durumda kabaca 1 VTR/mm sağlayan yaklaşık 1 nh/mm'lik bir endüktans olabilir. Bu nedenle, bağlantıların mümkün olduğunca kısa olması önemlidir. Anahtarlar arasında DV/ DT'yi kontrol etmek için, kapasitör ve bir direnç/ diyot ağı bir IGBT veya MOSFET (Şekil 7).
Bu, zilleri yavaşlatır, elektromanyetik paraziti (EMI) kontrol eder ve yüksek nedeniyle sahte geçiş yapmayı önler
Şekil 7 Anahtar Snubbing. Şekil 8 Film, EMI supresyonu olarak kapasitörler. Şekil 9 Motorlu sürücü EMC filtrelemesinde film kapasitörleri.
DV/DT, özellikle IGBT'lerde. Bir başlangıç noktası genellikle snubber kapasitansını, anahtar çıkışı kapasitansının ve montaj kapasitansının toplamının kabaca iki katı hale getirir ve daha sonra herhangi bir çınlamayı kritik olarak nemlendirmek için direnç seçilir. Daha optimum tasarım yaklaşımları formüle edilmiştir.
Emniyet dereceli polipropilen kapasitörler, diferansiyel modu EMI'sini azaltmak için sıklıkla güç hatları arasında kullanılır (Şekil 8). Geçici aşırı gerilimlere ve kendini iyileştirme yetenekleri çok önemlidir. Bu pozisyonlardaki kapasitörler, sırasıyla 4- ve 2.5 kV geçişlere dayanabilen X1 veya X2 olarak derecelendirilir. Kullanılan değerler, yüksek güç seviyelerinde tipik elektromanyetik uyumluluk (EMC) standartlarına uyum sağlamak için genellikle mikrofaradlardadır. Film Y tipi kapasitörler, sızıntı mevcut hususları nedeniyle CA pakitans değerinin sınırlı olduğu ortak mod gürültüsünü zayıflatmak için hat-toprak konumlarında da kullanılabilir (Şekil 8). Y1 ve Y2 versiyonları sırasıyla 8 ve 5 kV geçici derecelendirmeler için mevcuttur. Film kapasitörlerinin düşük bağlantı endüktansları Ayrıca kendi kendine rezonansları yüksek tutmaya yardımcı olur.
Polarize olmayan kapasitörler için artan bir uygulama, sürücülerin ve invertörlerin AC çıkışında yüksek frekans harmoniklerini zayıflatmak için seri indüktörlerle düşük geçişli filtreler oluşturmaktır (Şekil 9). Polipropilen kapasitörler genellikle güvenilirlikleri, yüksek dalgalanma akımı derecesi ve uygulamada iyi hacimsel verimlilik için kullanılır ve indüktörler ve kapasitörler genellikle bir modülde birlikte paketlenir. Motorlar gibi yükler genellikle tahrik ünitesinden uzaktır ve filtreler, sistemlerin EMC gereksinimlerini karşılamasını ve kablolama ve motorlar üzerindeki stresi azaltmasını sağlamak için kullanılır.
