Çeşitli kapasitör türleri koleksiyonu son yıllarda pek değişmedi, ancak uygulamalar kesinlikle değişti. Bu yazıda kapasitörlerin güç elektroniğinde nasıl kullanıldığına bakacağız ve mevcut teknolojileri karşılaştıracağız. Film kapasitörleri gibi gelecek uygulamalarda avantajlarını gösteriyorlar. elektrikli araçlar , alternatif enerji güç dönüşümü ve sürücülerdeki invertörler . Bununla birlikte, enerji depolama yoğunluğunun ana gereksinim olduğu durumlarda alüminyum (Al) elektrolitikleri hala önemlidir.
Al Elektrolitik veya Film Kapasitör?
Reddetmek kolaydır Alüminyum elektrolitik dünün teknolojisi gibi, ancak aralarındaki performans farkı ve film alternatifi her zaman bu kadar net olmuyor. Depolanan enerji yoğunluğu (joule/santimetreküp) bakımından, parçalı yüksek kristalli gibi egzotik varyantları olmasına rağmen hala standart film kapasitörlerin ilerisindedirler. metalize polipropilen karşılaştırılabilir. Ayrıca Al elektrolitikler, rakip film kapasitörlerden daha yüksek sıcaklıklarda dalgalı akım değerlerini korurlar. Al elektrolitiklerin gücü uygun şekilde azaltıldığında algılanan ömür ve güvenilirlik sorunları bile o kadar önemli değildir. Al elektrolitikler, pil yedeklemesi olmadan bir elektrik kesintisinde DC bara voltajının devam etmesinin gerekli olduğu durumlarda hala çok çekicidir. Örneğin, maliyet itici bir faktör olduğunda, film kapasitörlerin, çevrimdışı güç kaynaklarındaki toplu kapasitörlerin yerini alacağını tahmin etmek özellikle zordur.
Film Birçok Yönden Kazanır
Film kapasitörlerin diğer kapasitörlere göre birçok önemli avantajı vardır: eşdeğer seri direnç (ESR) değerleri önemli ölçüde daha düşük olabilir, bu da dalgalı akımın çok daha iyi işlenmesine yol açar. Aşırı gerilim değerleri de üstündür ve belki de en önemlisi, film kapasitörleri kendi kendini onarabilir
ŞEKİL 1 Kapasitör film özellikleri.
ŞEKİL 2 Polipropilen film için DF'nin sıcaklıkla değişimi.
Stresten sonra daha iyi sistem güvenilirliği ve ömrü sağlanır. Ancak kendi kendini iyileştirme yeteneği stres düzeyine, zirve değerlerine ve tekrarlama oranına bağlıdır. Ek olarak, karbon birikmesi ve arıza giderme sırasında oluşan plazma arkından kaynaklanan ikincil hasar nedeniyle nihai felaketle sonuçlanan arıza hala mümkündür. Bu özellikler, kesintiler veya hat frekansı dalgalanma tepe noktaları arasında herhangi bir beklemenin gerekli olmadığı elektrikli araçlarda ve alternatif enerji sistemlerinde güç dönüşümüne ilişkin modern uygulamalarla eşleşir. Temel gereklilik, tolere edilebilir kayıpları ve yüksek güvenilirliği korurken, yüzlerce hatta binlerce amfiye ulaşabilecek yüksek frekanslı dalgalanma akımlarını kaynaklama ve azaltma yeteneğidir. Belirli güç seviyelerinde ohmik kayıpları azaltmak için daha yüksek bara voltajlarına doğru bir hareket de vardır. Bu, yaklaşık 550 V'luk maksimum voltaj değerlerine sahip Al elektrolitiklerin seri bağlanması anlamına gelir. Voltaj dengesizliğini önlemek için, eşleşen değerlere sahip pahalı kapasitörlerin seçilmesi ve ilgili kayıplar ve maliyetlerle birlikte voltaj dengeleme dirençlerinin kullanılması gerekli olabilir.
Güvenilirlik sorunu basit değildir, ancak kontrollü koşullar altında elektrolitikler güç filmiyle karşılaştırılabilir, yani hasar oluşmadan önce genellikle aşırı voltajın yalnızca %20'sine dayanabilirler. Buna karşılık, film kapasitörleri sınırlı süreler boyunca aşırı gerilimin belki de %100'üne dayanabilir. Arıza durumunda, elektrolitikler kısa devre yapabilir ve patlayabilir, tehlikeli bir elektrolit deşarjıyla tüm seri/paralel bileşenler kümesini devre dışı bırakabilir. Film kapasitörleri de kendi kendini onarabilir, ancak ara sıra ortaya çıkan gerçek koşullar altında sistem güvenilirliği, iki tür arasında çok farklı olabilir. Tüm bileşenlerde olduğu gibi, yüksek nem seviyeleri film kapasitör performansını düşürebilir ve en iyi güvenilirlik için bunun iyi kontrol edilmesi gerekir. Diğer bir pratik fark, film kapasitörlerinin montaj kolaylığıdır; tipik yuvarlak metal kutularla karşılaştırıldığında, vidalı terminallerden pabuçlara, bağlantı elemanlarına ve baralara kadar çeşitli elektrik bağlantı seçenekleriyle yalıtımlı, hacimsel olarak verimli dikdörtgen kutu muhafazalarında mevcutturlar. elektrolitik. Polar olmayan dielektrik film, ters korumalı montaj sağlar ve invertör çıkış filtrelemesi gibi ac'nin uygulandığı uygulamalarda kullanılmasına olanak tanır.
Elbette birçok film kapasitör dielektrik tipi mevcuttur ve Şekil 1 bunların karşılaştırmalı performanslarının bir özetini vermektedir [1]. Polipropilen film, düşük DF'si ve birim kalınlık başına yüksek dielektrik bozulması nedeniyle, stres altında kayıplar ve güvenilirlik ana hususlar olduğunda genel kazanandır. Diğer filmler, daha yüksek dielektrik sabitleri ve daha ince film kullanılabilirliği ile sıcaklık derecesi ve kapasitans/hacim açısından 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 dielektriklerle karşılaştırıldığında düşük bir DF, daha düşük ısınma anlamına gelir ve mikrofarad başına kayıpları karşılaştırmanın bir yoludur. DF, frekansa ve sıcaklığa göre biraz değişir, ancak polipropilen en iyi performansı gösterir. Şekil 2 ve 3 tipik grafikleri göstermektedir.
Şekil 4'te gösterildiği gibi, folyo ve biriktirilmiş metalizasyon kullanan iki ana film kapasitör yapısı türü vardır. Yaklaşık 5 nm kalınlığındaki metal folyo, yüksek tepe akım kapasitesi nedeniyle tipik olarak dielektrik katmanlar arasında kullanılır, ancak kendi kendine çalışmaz. -strese katlandıktan sonra iyileşmek. Metalize film, bir vakumla ve tipik olarak Al'in 1.200 °C'de filmin sıcaklığı −25 ila −35 °C arasında olacak şekilde kabaca 20–50 nm kalınlığa kadar film üzerine biriktirilmesiyle oluşturulur.
ŞEKİL 3 Polipropilen film için DF'nin frekansla değişimi.
ŞEKİL 4 Film kapasitör yapısı
bununla birlikte çinko (Zn) ve Al-Zn alaşımları da kullanılabilir. Bu süreç, dielektrik boyunca herhangi bir noktadaki arızaların lokalize yoğun ısınmaya, belki de 6.000 °C'ye kadar, bir plazmanın oluşmasına neden olduğu kendi kendini iyileştirmeyi mümkün kılar. Arıza kanalı etrafındaki metalizasyon buharlaşır, plazmanın hızla genleşmesi deşarjı söndürür, bu da arızayı izole eder ve kapasitörün tamamen çalışır durumda kalmasını sağlar. Kapasitanstaki azalma minimum düzeydedir ancak zamanla artar, bu da onu bileşenin eskimesinin yararlı bir göstergesi haline getirir.
Güvenilirliği daha da artırmak için yaygın bir yöntem, film üzerindeki metal kaplamayı, akımı bölümlere besleyen ve büyük aşırı yükler için sigorta görevi gören dar geçitlerle, belki de milyonlarca alana bölmektir. Metalizasyona giden toplam akım yolunun daralması, bileşenin tepe akım kullanımını azaltır, ancak getirilen ekstra güvenlik marjı, kapasitörün daha yüksek voltajlarda faydalı bir şekilde derecelendirilmesine olanak tanır.
Modern polipropilen yaklaşık 650 V/μm'lik bir dielektrik dayanıma sahiptir ve kabaca 1,9 µm ve üzeri kalınlıklarda mevcuttur, bu nedenle birkaç kilovolta kadar kapasitör voltaj değerlerine rutin olarak ulaşılabilir, hatta bazı parçalar 100 kV olarak derecelendirilmiştir. Ancak daha yüksek voltajlarda korona deşarjı olarak da bilinen kısmi deşarj (PD) olgusu bir faktör haline gelir. PD, malzeme yığınındaki veya malzeme katmanları arasındaki hava boşluklarındaki mikro boşlukların yüksek voltajla parçalanmasıdır ve toplam yalıtım yolunda kısmi bir kısa devreye neden olur. PD (korona deşarjı) hafif bir karbon izi bırakır; ilk etki farkedilemez ancak zamanla zayıflamış, karbon izli izolasyonda büyük ve ani bir bozulma meydana gelene kadar birikebilir. Etki, Şekil 5'te gösterilen Paschen eğrisi ile açıklanmaktadır ve karakteristik bir başlangıç ve sönme voltajına sahiptir. Şekilde iki örnek alan gücü gösterilmektedir. Paschen eğrisi A'nın üzerindeki noktaların PD dağılımı oluşturması muhtemeldir.
ŞEKİL 5 Paschen eğrisi ve örnek elektrik alan kuvvetleri.
Bu etkiyi ortadan kaldırmak için, çok yüksek voltaj dereceli kapasitörler, havayı katman arayüzlerinden uzak tutmak için yağla emprenye edilir. Düşük voltajlı tipler reçine dolgulu olma eğilimindedir ve bu da mekanik sağlamlığa yardımcı olur. Başka bir çözüm, tekli muhafazalarda seri kapasitörler oluşturmak ve her birindeki voltaj düşüşünü başlangıç voltajının çok altına etkili bir şekilde azaltmaktır. PD, elektrik alan yoğunluğundan kaynaklanan bir etkidir, dolayısıyla voltaj gradyanını azaltmak için dielektrik kalınlığının artırılması her zaman mümkündür ancak kapasitörün genel boyutunu artırır. En yüksek akım kapasitesi ile kendi kendini iyileştirme arasında bir uzlaşma sağlamak için folyoları ve metal kaplamayı birleştiren kapasitör tasarımları vardır. Metalizasyon aynı zamanda kapasitörün kenarından da derecelendirilebilir, böylece kenarlardaki daha kalın malzeme daha iyi akım kullanımı ve lehimleme veya kaynaklama yoluyla daha sağlam sonlandırma sağlar ve derecelendirme sürekli veya kademeli olabilir.
Belki bir adım geri çekilip Al-elektrolitik kapasitörlerin kullanımının ne kadar avantajlı olduğunu gözlemlemek faydalı olabilir. Bunun bir örneği, Şekil 6'da gösterildiği gibi, güç faktörüyle düzeltilmiş bir ön uca sahip, 20 ms'lik bir geçişe ihtiyaç duyan, %90 verimli, 1 kW'lık bir çevrimdışı dönüştürücüdür. Tipik olarak dahili bir DC barasına sahip olacaktır. 400 V'luk nominal gerilim Vn ve 300 V'lik bir düşme gerilimi (Vd), bunun altında çıkış regülasyonu kaybolur.
Toplu kapasitör C1, bir kesintiden sonra bara voltajı 400'den 300 V'a düştüğünde, belirtilen kullanım süresi boyunca sabit çıkış gücünü korumak için enerji sağlar. Matematiksel olarak, 450 V değerinde Po t/h =1/2 C(Vn²-Vd²) veya C=2*1000*0,02/0,9*(400²-300²) =634nF.
Eğer Al-elektrolitik kapasitörler kullanıldığında, denklem yaklaşık olarak 52 cm3'lük (yani 3'te 3) gerekli hacimle sonuçlanır; TDK-EPCOS B43508 serisi kullanılmaktadır. Buna karşılık, film kapasitörleri pratik olmayacak kadar büyük olabilir ve TDK-EPCOS B32678 serisi kullanılırsa toplam 1.500 cm3 hacimde belki de 15 paralel (yani 3'te 91) gerekebilir. Fark açıktır, ancak kapasitörün bir DC hattındaki dalgalanma voltajını kontrol etmesi gerekiyorsa seçim değişecektir. 400 V'luk bara voltajının bir aküden geldiği ve dolayısıyla bekletmeye gerek olmadığı benzer bir örneği ele alalım. Bununla birlikte, dalgalanma etkisini örneğin 20 kHz'de bir alt dönüştürücü tarafından alınan 80 A rms yüksek frekanslı akım darbelerinden 4 V ortalama karekök (rms) değerine düşürmeye ihtiyaç vardır. Bu bir elektrikli araç uygulaması olabilir ve gereken kapasitans, 450 V değerinde C=irms/Vrippe.2.Π.f=80/4*2*3.14*20*1000=160 uF'den yaklaşık olarak hesaplanabilir.
ŞEKİL 6 Geçiş için kapasitör (basılı tutun). HVDC: yüksek voltajlı dc.
180 µF, 450 V'taki bir elektrolitik, frekans düzeltmesi de dahil olmak üzere (EPCOS B43508 serisi) 60 °C'de yalnızca kabaca 3,5 A rms'lik bir dalgalanma akımı derecesine sahip olabilir. Dolayısıyla, 80 A için paralel olarak 23 kapasitör gerekli olacak ve toplam hacim 1.200 cm3 (yani 3'te 73) olan gereksiz 4.140 µF üretilecektir. Bu, elektrolitikler için bazen belirtilen 20 mA/μF dalgalı akım derecesine uygundur. Şimdi film kapasitörleri dikkate alınırsa, paralel olarak sadece dört tane var. EPCOS B32678 serisi, 402 cm3'lük bir hacimde 132-A rms dalgalı akım derecesi verir (yani 3'te 24,5). Sıcaklık örneğin 70 °C'nin altındaki ortam sıcaklığıyla sınırlıysa daha küçük bir kasa boyutu seçilebilir. Elektrolitiği başka nedenlerle seçsek bile, aşırı kapasitans, ani akımdaki enerjinin kontrol edilmesi gibi başka sorunlara neden olabilir. Elbette geçici aşırı gerilimler meydana gelebilseydi, film kapasitörleri uygulamada çok daha sağlam olurdu. Bunun bir örneği, bir katenere aralıklı bir bağlantının DC hattı bağlantısında aşırı gerilime neden olduğu hafif çekiş olabilir.
Bu örnek, kesintisiz güç kaynağı sistemleri, rüzgar ve güneş enerjisi, kaynak ve şebekeye bağlı invertörler gibi günümüzün birçok ortamı için tipiktir. Film ve Al elektrolitikleri arasındaki maliyet farkları 2013 yılında yayınlanan rakamlarla özetlenebilir [2]. Düzeltilmiş 440 Vac'tan bir DC veriyolunun tipik maliyetleri Tablo 1'de bulunabilir.
Diğer uygulamalar ayrıştırma ve bastırıcı devreler dönüştürücülerde veya invertörlerde. Metalize tipler özel tasarım ve üretim adımları gerektirdiğinden, burada boyut izin veriyorsa film/folyo yapısı kullanılmalıdır. Dekuplaj olarak kapasitör, yüksek frekanslı akımların sirkülasyonu için düşük bir endüktans yolu sağlamak üzere DC veri yolu boyunca yerleştirilir; tipik olarak anahtarlanan 100 A başına 1 µF'dir. Kapasitör olmadan akım, daha yüksek endüktanslı döngüler boyunca dolaşarak aşağıdakilere göre geçici voltajlara (Vtr) neden olur: Vtr =-Ldi/dt.
1000 A/μs'lik akım değişikliklerinin mümkün olmasıyla, yalnızca birkaç nanohenrilik endüktans önemli gerilimler üretebilir. Baskılı devre kartı izleri yaklaşık 1 nH/mm'lik bir endüktansa sahip olabilir, dolayısıyla bu durumda kabaca 1 Vtr/mm sağlar. Bu nedenle bağlantıların mümkün olduğunca kısa olması önemlidir. Anahtarlar arasında dV/dt'yi kontrol etmek için kapasitör ve direnç/diyot ağı paralel olarak yerleştirilir. IGBT veya MOSFET (Şekil 7).
Bu, zil sesini yavaşlatır, elektromanyetik girişimi (EMI) kontrol eder ve yüksek frekans nedeniyle sahte geçişleri önler.
ŞEKİL 7 Anahtar kapanıyor. ŞEKİL 8 EMI bastırma olarak film kapasitörleri. ŞEKİL 9 Motor tahrikli EMC filtrelemesinde film kapasitörleri.
dV/dt, özellikle IGBT'lerde. Bir başlangıç noktası, genellikle susturucu kapasitansını anahtar çıkış kapasitansı ve montaj kapasitansının toplamının kabaca iki katı yapmaktır ve daha sonra direnç, herhangi bir çınlamayı kritik bir şekilde sönümleyecek şekilde seçilir. Daha optimum tasarım yaklaşımları formüle edilmiştir.
Güvenlik dereceli polipropilen kapasitörler, diferansiyel mod EMI'yi azaltmak için genellikle güç hatları boyunca kullanılır (Şekil 8). Geçici aşırı gerilimlere dayanma ve kendi kendini iyileştirme yetenekleri çok önemlidir. Bu konumlardaki kapasitörler sırasıyla 4 ve 2,5 kV geçici akımlara dayanabilen X1 veya X2 olarak derecelendirilmiştir. Kullanılan değerler, yüksek güç seviyelerinde tipik elektromanyetik uyumluluk (EMC) standartlarıyla uyumluluğu sağlamak için genellikle mikrofarad cinsindendir. Film Y tipi kapasitörler, kaçak akım hususları nedeniyle kapasitans değerinin sınırlı olduğu ortak mod gürültüsünü azaltmak için hattan toprağa konumlarında da kullanılabilir (Şekil 8). Y1 ve Y2 versiyonları sırasıyla 8 ve 5 kV geçici değerler için mevcuttur. Film kapasitörlerinin düşük bağlantı endüktansları aynı zamanda öz rezonansları yüksek tutmaya da yardımcı olur.
Polarize olmayan kapasitörler için artan bir uygulama, sürücülerin ve invertörlerin ac çıkışındaki yüksek frekanslı harmonikleri azaltmak için seri indüktörlerle alçak geçişli filtreler oluşturmaktır (Şekil 9). Polipropilen kapasitörler genellikle güvenilirlikleri, yüksek dalgalı akım değerleri ve uygulamada iyi hacimsel verimlilikleri nedeniyle kullanılır ve indüktörler ve kapasitörler genellikle tek bir modülde birlikte paketlenir. Motorlar gibi yükler genellikle sürücü ünitesinden uzaktadır ve filtreler, sistemlerin EMC gereksinimlerini karşılamasını sağlamak ve aşırı dV/dt düzeylerinden kaynaklanan kablolar ve motorlar üzerindeki baskıyı azaltmak için kullanılır.
