Raznolika kolekcija tipova kondenzatora nije se puno promijenila tijekom posljednjih godina, ali primjene svakako jesu. U ovom članku promatramo kako se kondenzatori koriste u energetskoj elektronici i uspoređujemo dostupne tehnologije. Filmski kondenzatori pokazuju svoje prednosti u nadolazećim aplikacijama kao što su električna vozila , alternativna pretvorba energije, i pretvarači u pogonima . Međutim, aluminijski (Al) elektroliti još uvijek su važni kada je gustoća skladištenja energije glavni zahtjev.
Al elektrolitski ili filmski kondenzator?
Lako ga je odbaciti Al elektrolitici kao jučerašnja tehnologija, ali razlika u izvedbi između njih i filmske alternative nije uvijek tako jasna. U pogledu gustoće pohranjene energije, tj. džula/kubičnih centimetra, oni su još uvijek ispred standardnih film kondenzatora, iako egzotične varijante kao što su segmentirani visokokristalni metalizirani polipropilen su usporedivi. Također, Al elektrolitičari održavaju svoju vrijednost valovitosti struje na višim temperaturama bolje od konkurentskih filmskih kondenzatora. Čak ni percipirani životni vijek i problemi s pouzdanošću nisu toliko značajni kada je Al elektrolitika odgovarajuće smanjena. Al elektrolitičari su još uvijek vrlo privlačni tamo gdje je potrebno proći kroz napon istosmjerne sabirnice pri nestanku struje bez rezervne baterije. Na primjer, kada je trošak pokretački čimbenik, posebno je teško predvidjeti da će filmski kondenzatori preuzeti ulogu od velikih kondenzatora u uobičajenim izvanmrežnim izvorima napajanja.
Film pobjeđuje na mnogo načina
Kondenzatori s filmom imaju nekoliko značajnih prednosti u odnosu na druge kondenzatore: vrijednosti ekvivalentnog serijskog otpora (ESR) mogu biti dramatično niže, što dovodi do mnogo boljeg upravljanja strujom valova. Ocjene udarnog napona su također superiorne i, što je možda najvažnije, filmski kondenzatori mogu se sami zaliječiti
SLIKA 1 Karakteristike filma kondenzatora.
SLIKA 2 Varijacija DF-a s temperaturom za polipropilensku foliju.
Nakon stresa, što dovodi do bolje pouzdanosti sustava i vijeka trajanja. Međutim, sposobnost samoizlječenja ovisi o razini stresa, vršnim vrijednostima i stopi ponavljanja. Dodatno, eventualni katastrofalni kvar još uvijek je moguć zbog taloženja ugljika i kolateralne štete od plazma luka generiranog tijekom uklanjanja kvara. Ove karakteristike odgovaraju modernim primjenama pretvorbe energije u električnim vozilima i alternativnim energetskim sustavima gdje nije potrebno zadržavanje s prekidima ili između vrhova mreškanja mrežne frekvencije. Glavni zahtjev je sposobnost stvaranja i povlačenja visokofrekventnih valovitih struja koje bi mogle doseći stotine ako ne i tisuće ampera uz održavanje podnošljivih gubitaka i visoke pouzdanosti. Također postoji pomak prema višim naponima sabirnice kako bi se smanjili ohmski gubici na danim razinama snage. To bi značilo serijsku vezu Al elektrolita s njihovim inherentnim maksimalnim naponom od približno 550 V. Da bi se izbjegla neravnoteža napona, možda će biti potrebno odabrati skupe kondenzatore s usklađenim vrijednostima i koristiti otpornike za balansiranje napona s pripadajućim gubicima i cijenom.
Pitanje pouzdanosti nije jednostavno, iako su, pod kontroliranim uvjetima, elektroliti usporedivi s filmom za napajanje, što znači da će obično izdržati samo 20% prenapona prije nego što dođe do oštećenja. Nasuprot tome, filmski kondenzatori mogu izdržati možda 100% prenapona tijekom ograničenih razdoblja. U slučaju kvara, elektrolitičari mogu kratko spojiti i eksplodirati, uništavajući cijeli niz serijskih/paralelnih komponenti opasnim pražnjenjem elektrolita. Filmski kondenzatori također se mogu samoiscjeljivati, ali pouzdanost sustava u autentičnim uvjetima povremenog opterećenja može biti vrlo različita između ta dva tipa. Kao i kod svih komponenti, visoke razine vlažnosti mogu pogoršati performanse filmskog kondenzatora, a za najbolju pouzdanost to treba dobro kontrolirati. Još jedna praktična razlika je jednostavnost montiranja filmskih kondenzatora - dostupni su u izoliranim, volumetrijski učinkovitim pravokutnim kutijastim kućištima s različitim mogućnostima električnog povezivanja, od vijčanih stezaljki do ušica, spojnica i sabirnica, u usporedbi s tipičnim okruglim metalnim limenkama elektrolitici. Nepolarni dielektrični film omogućuje montažu zaštićenu od obrnutog smjera i omogućuje upotrebu u aplikacijama gdje se primjenjuje izmjenična struja, kao što je filtriranje izlaza pretvarača.
Naravno, dostupni su mnogi tipovi dielektrika filmskog kondenzatora, a slika 1 daje sažetak njihovih usporednih performansi [1]. Polipropilenska folija je ukupni pobjednik kada su gubici i pouzdanost pod stresom glavna razmatranja zbog svoje niske DF i visokog dielektričnog proboja po jedinici debljine. Drugi filmovi mogu biti bolji za ocjenu temperature i kapacitivnost/volumen, s višim dielektričnim konstantama i dostupnošću tanjeg filma, a pri niskim naponima poliester je još uvijek u uobičajenoj uporabi. DF je posebno važan i definiran kao ESR/kapacitivna reaktancija, a obično se navodi na 1 kHz i 25 °C. Nizak DF u usporedbi s drugim dielektricima podrazumijeva manje zagrijavanje i način je usporedbe gubitaka po mikrofaradu. DF malo varira s učestalošću i temperaturom, ali polipropilen ima najbolje rezultate. Slike 2 i 3 prikazuju tipične dijagrame.
Postoje dvije glavne vrste konstrukcija filmskih kondenzatora koje koriste foliju i nataloženu metalizaciju, kao što je prikazano na slici 4. Metalna folija debljine približno 5 nm obično se koristi između dielektričnih slojeva zbog svoje sposobnosti visoke vršne struje, ali se ne -ozdraviti nakon pretrpljenog stresa. Metalizirani film nastaje vakuumom i tipičnim taloženjem Al na 1200 °C na film do debljine od otprilike 20-50 nm s temperaturom filma u rasponu od -25 do -35 °C,
SLIKA 3 Varijacija DF-a s frekvencijom za polipropilenski film.
SLIKA 4 Konstrukcija filmskog kondenzatora
iako se mogu koristiti i legure cinka (Zn) i Al-Zn. Ovaj proces omogućuje samoizlječenje, gdje kvarovi na bilo kojoj točki u cijelom dielektriku uzrokuju lokalizirano intenzivno zagrijavanje, možda do 6000 °C, uzrokujući stvaranje plazme. Metalizacija oko probojnog kanala isparava, uz brzo širenje plazme koja gasi pražnjenje, što izolira kvar i ostavlja kondenzator potpuno funkcionalnim. Smanjenje kapacitivnosti je minimalno, ali se povećava tijekom vremena, što ga čini korisnim pokazateljem starenja komponente.
Uobičajena metoda za daljnje poboljšanje pouzdanosti je segmentiranje metalizacije na filmu u područja, možda milijune, s uskim vratima koja dovode struju u segmente i djeluju kao osigurači za velika preopterećenja. Sužavanje ukupnog strujnog puta do metalizacije doista smanjuje rukovanje vršnom strujom komponente, ali uvedena dodatna sigurnosna margina omogućuje da kondenzator bude korisno ocijenjen na višim naponima.
Moderni polipropilen ima dielektričnu čvrstoću od približno 650 V/µm i dostupan je u debljinama od otprilike 1,9 µm i više, tako da se nazivni napon kondenzatora može rutinski postići do nekoliko kilovolta, a neki dijelovi čak imaju 100 kV. Međutim, pri višim naponima, fenomen djelomičnog pražnjenja (PD), također poznat kao koronsko pražnjenje, postaje faktor. PD je visokonaponski proboj mikro šupljina u masi materijala ili u zračnim rasporima između slojeva materijala, uzrokujući djelomični kratki spoj cjelokupnog izolacijskog puta. PD (corona discharge) ostavlja lagani ugljični trag; početni učinak je neprimjetan, ali se može akumulirati tijekom vremena sve dok ne dođe do grubog i iznenadnog kvara oslabljene izolacije s tragovima ugljika. Učinak je opisan Paschen krivuljom, prikazanom na slici 5, i ima karakterističan početni i ekstinkcioni napon. Slika prikazuje dva primjera jakosti polja. Točke iznad Paschenove krivulje, A, vjerojatno će proizvesti PD kvar.
SLIKA 5 Paschenova krivulja i primjer jakosti električnog polja.
Kako bi se spriječio učinak, kondenzatori s vrlo visokim naponom impregnirani su uljem kako bi se isključio zrak iz slojeva. Tipovi s nižim naponom obično su punjeni smolom, što također pomaže kod mehaničke otpornosti. Drugo rješenje je formiranje serijskih kondenzatora u pojedinačnim kućištima, čime se učinkovito smanjuje pad napona na svakom do znatno ispod početnog napona. PD je učinak zbog intenziteta električnog polja, tako da je povećanje debljine dielektrika za smanjenje gradijenta napona uvijek moguće, ali povećava ukupnu veličinu kondenzatora. Postoje dizajni kondenzatora koji kombiniraju folije i metalizaciju kako bi pružili kompromis između mogućnosti vršne struje i samoiscjeljivanja. Metalizacija se također može stupnjevati od ruba kondenzatora tako da deblji materijal na rubovima daje bolje rukovanje strujom i robusniji završetak lemljenjem ili zavarivanjem, a stupnjevanje može biti kontinuirano ili stepenasto.
Možda je korisno napraviti korak unatrag i vidjeti koliko je korištenje Al-elektrolitskih kondenzatora korisno. Jedan primjer je u 90% učinkovitom, 1-kW off-line pretvaraču s prednjim krajem s korekcijom faktora snage, kojem je potrebno 20 ms vožnje, kao što je prikazano na slici 6. Tipično će imati internu istosmjernu sabirnicu s nazivni napon, Vn, od 400 V i ispadni napon, Vd, od 300 V, ispod kojeg se regulacija izlaza gubi.
Kondenzator C1 opskrbljuje energijom kako bi se održala konstantna izlazna snaga tijekom navedenog vremena prolaska dok napon sabirnice pada s 400 na 300 V nakon prekida. Matematički, Po t/h =1/2 C(Vn²-Vd²) ili C=2*1000*0,02/0,9*(400²-300²) =634nF pri nazivnom naponu od 450 V.
Ako Al-elektrolitski kondenzatori koriste se, tada jednadžba rezultira potrebnim volumenom od otprilike 52 cm3 (tj. 3 u 3 ), npr. ako TDK-EPCOS Koristi se serija B43508. Nasuprot tome, filmski kondenzatori bili bi nepraktično veliki, zahtijevajući možda 15 paralelno pri ukupnom volumenu od 1500 cm3 (tj. 91 u 3 ) ako se koristi serija TDK-EPCOS B32678. Razlika je očita, ali izbor bi se promijenio kad bi kondenzator trebao kontrolirati valovitost napona na istosmjernom vodu. Uzmimo sličan primjer gdje napon sabirnice od 400 V dolazi iz baterije, tako da zadržavanje nije potrebno. Međutim, postoji potreba za smanjenjem efekta valovitosti na, npr., 4 V korijen srednje vrijednosti na kvadrat (rms) od 80 A rms visokofrekventnih strujnih impulsa koje uzima nizvodni pretvarač na 20 kHz. Ovo bi mogla biti primjena u električnim vozilima, a potrebni kapacitet može se približno odrediti iz C=irms/Vrippe.2.Π.f=80/4*2*3.14*20*1000=160 uF pri nazivnom naponu od 450 V.
SLIKA 6 Kondenzator za prolazak (držati gore). HVDC: visokonaponski istosmjerni.
Elektrolitičar na 180 µF, 450 V mogao bi imati vrijednost valovitosti struje od samo otprilike 3,5 A rms na 60 °C, uključujući korekciju frekvencije (serija EPCOS B43508). Stoga bi za 80 A bila potrebna paralelna 23 kondenzatora, koji bi proizveli nepotrebnih 4140 µF s ukupnim volumenom od 1200 cm3 (tj. 73 u 3 ). To je u skladu s ponekad navođenom vrednošću valovitosti od 20 mA/µF za elektrolitike. Ako se uzmu u obzir filmski kondenzatori, sada, samo četiri paralelno od EPCOS B32678 serije daju 132-A rms vrijednost struje valovitosti u volumenu od 402 cm3 (tj. 24,5 in 3 ). Ako je temperatura ograničena na, npr., manje od 70 °C okoline, tada se i dalje može odabrati manja veličina kućišta. Čak i ako odaberemo elektrolitike na drugim osnovama, višak kapaciteta bi mogao uzrokovati druge probleme, kao što je kontrola energije u udarnoj struji. Naravno, ako bi moglo doći do prolaznih prenapona, onda bi filmski kondenzatori bili daleko robusniji u primjeni. Primjer za to bi bila mala vučna sila, gdje povremeni spoj na kontaktnu mrežu uzrokuje prenapon na spoju istosmjernog međukruga.
Ovaj primjer tipičan je za mnoga današnja okruženja, kao što su sustavi neprekidnog napajanja, energija vjetra i sunca, zavarivanje i izmjenjivači povezani s mrežom. Razlike u cijeni između filma i Al elektrolita mogu se sažeti u brojke objavljene 2013. [2]. Tipični troškovi za istosmjernu sabirnicu od ispravljenih 440 Vac mogu se pronaći u tablici 1.
Ostale primjene su za odvajanje i snubber sklopovi u pretvaračima ili pretvaračima. Ovdje se treba koristiti konstrukcija film/folija ako to veličina dopušta, jer metalizirani tipovi zahtijevaju posebne korake dizajna i proizvodnje. Kao odvajanje, kondenzator se postavlja preko istosmjerne sabirnice kako bi se osigurao put niske induktivnosti za cirkuliranje visokofrekventnih struja, obično 1 µF na 100 A uključenih. Bez kondenzatora, struja cirkulira kroz petlje veće induktivnosti, uzrokujući prijelazne napone (Vtr) prema sljedećem: Vtr =-Ldi/dt.
Uz moguće promjene struje od 1000 A/µs, samo nekoliko nanohenrija induktiviteta može proizvesti značajne napone. Tragovi na tiskanoj ploči mogu imati induktivitet od oko 1 nH/mm, dajući, dakle, otprilike 1 Vtr/mm u ovoj situaciji. Stoga je važno da veze budu što kraće. Za kontrolu dV/dt preko prekidača, kondenzator i mreža otpornika/dioda postavljaju se paralelno s IGBT odnosno MOSFET (slika 7).
Ovo usporava zvonjenje, kontrolira elektromagnetske smetnje (EMI) i sprječava lažno prebacivanje zbog visokog
SLIKA 7 Skidanje prekidača. SLIKA 8 Filmski kondenzatori kao EMI potiskivanje. SLIKA 9 Filmski kondenzatori u EMC filtriranju motornog pogona.
dV/dt, posebno u IGBT-ovima. Polazna točka često je da prigušni kapacitet bude približno dvostruko veći od zbroja izlaznog kapaciteta prekidača i montažnog kapaciteta, a otpornik se tada odabire da kritično priguši zvonjavu. Formulirani su optimalniji pristupi dizajnu.
Polipropilenski kondenzatori s ocjenom sigurnosti često se koriste preko električnih vodova kako bi se smanjio EMI diferencijalnog načina rada (Slika 8). Njihova sposobnost da izdrže prolazne prenapone i samoiscjeljivanje je ključna. Kondenzatori u ovim položajima ocijenjeni su kao X1 ili X2, koji mogu izdržati prijelazne pojave od 4, odnosno 2,5 kV. Vrijednosti koje se koriste često su u mikrofaradima kako bi se postigla usklađenost s tipičnim standardima elektromagnetske kompatibilnosti (EMC) pri visokim razinama snage. Filmski kondenzatori tipa Y također se mogu koristiti u položajima linija-zemlja za prigušivanje buke uobičajenog načina gdje je vrijednost kapacitivnosti ograničena zbog razmatranja struje curenja (Slika 8). Inačice Y1 i Y2 dostupne su za 8- odnosno 5-kV prijelazne vrijednosti. Mali priključni induktivitet filmskih kondenzatora također pomažu u održavanju visokih vlastitih rezonancija.
Sve veća primjena nepolariziranih kondenzatora je formiranje niskopropusnih filtara sa serijskim induktorima za prigušivanje visokofrekventnih harmonika u izmjeničnom izlazu pogona i pretvarača (slika 9). Polipropilenski kondenzatori često se koriste zbog svoje pouzdanosti, visoke vrijednosti struje valovitosti i dobre volumetrijske učinkovitosti u primjeni, a induktori i kondenzatori često su pakirani zajedno u jednom modulu. Opterećenja kao što su motori često su udaljena od pogonske jedinice, a filtri se koriste kako bi omogućili sustavima da ispune zahtjeve EMC-a i smanje opterećenje kablova i motora od prekomjernih dV/dt razina.
