Različita zbirka vrsta kondenzatora nije se mnogo promijenila posljednjih godina, ali aplikacije sigurno imaju. U ovom članku gledamo kako se kondenzatori koriste u elektroničkoj energiji i uspoređujemo dostupne tehnologije. Filmski kondenzatori pokazuju svoje prednosti u nadolazećim aplikacijama poput električna vozila , alter- izvorna pretvorba energetske energije i pretvarači u pogonima . Međutim, elektrolitika aluminija (AL) i dalje je važna kada je gustoća skladištenja energije glavni zahtjev.
AL Elektrolitički ili filmski kondenzator?
Lako je odbaciti AL Elektrolitika Kao jučerašnja tehnologija, ali diferencijacija u izvedbi između njih i alternative filmu nije uvijek tako jasna. U smislu pohranjene gustoće energije, tj. Joule/kubični centimetri, oni su još uvijek ispred standardnih filmskih kondenzatora, iako egzotične varijante poput segmentiranog visokokristalnog visoko-kristalnog metalizirani polipropilen su usporedivi. Također, Al Electrolitics održava ocjenu vatru vatrena na višim temperaturama bolje od konkurentskih filmskih kondenzatora. Čak ni percipirani životni i pouzdanost nisu toliko značajni kada su AL elektrolitika na odgovarajući način naređena. AL Electrolytics je i dalje vrlo atraktivan gdje je potreban vožnja naponom istosmjernog sabirnice na prekidu napajanja bez povratnog kopija baterije. Na primjer, kada je trošak pokretački faktor, posebno je teško predvidjeti filmski kondenzatori koji preuzimaju skupno kondenzatore u robnim opskrbama napajanja.
Film pobjeđuje na mnogo načina
Filmski kondenzatori imaju nekoliko značajnih prednosti u odnosu na ostale kondenzatore: Ocjene ekvivalentne serije (ESR) mogu biti dramatično niže, što dovodi do puno boljeg rukovanja. Ocjene prenaponskog napona također su superiorne i, možda, najvažnije, filmski kondenzatori mogu se samokoličiti
Slika 1 Karakteristike kondenzatora.
Slika 2 Varijacija DF -a s temperaturom za polipropilen film.
Nakon stresa, što dovodi do bolje pouzdanosti sustava i života. Međutim, sposobnost samokoličenja ovisi o razini stresa, vršnim vrijednostima i brzini ponavljanja. Uz to, eventualni katastrofalni neuspjeh i dalje je mogući zbog taloženja ugljika i kolateralnog oštećenja iz luka u plazmi koji je nastao tijekom čišćenja grešaka. Ove karakteristike odgovaraju modernim primjenama pretvorbe energije u električnim vozilima i alternativnim energetskim sustavima gdje ne zahtijeva zadržavanje s nestancima ili između vrhova linijske frekvencije. Glavni zahtjev je mogućnost izvora i potopanja visokofrekventnih valovitih struja koje bi mogle doseći stotine, ako ne i tisuće pojačala, zadržavajući podnošljive gubitke i visoku pouzdanost. Također postoji kretanje na veće napone sabirnice kako bi se smanjili ohmički gubici na danim razinama snage. To bi značilo serijski priključak AL elektrolitika s njihovim inherentnim maksimalnim naponom od približno 550 V. Da bi se izbjegla neravnoteža napona, možda će biti potrebno odabrati skupe kondenzatore s odgovarajućim vrijednostima i koristiti otpornike uravnoteženja napona s pripadajućim gubicima i troškovima.
Pitanje pouzdanosti nije jednostavno, iako su, u kontroliranim uvjetima, elektrolitika usporediva s filmskim filmom, što znači da će obično izdržati samo 20% prenapona prije nego što dođe do oštećenja. Suprotno tome, filmski kondenzatori mogu izdržati možda 100% prenapona tijekom ograničenih razdoblja. Nakon neuspjeha, elektrolitika može kratki spoj i eksplodirati, skidajući čitavu obalu serija/paralelnih komponenti s opasnim ispuštanjem elektrolita. Filmski kondenzatori također se mogu samokoličiti, ali pouzdanost sustava u autentičnim uvjetima povremenog stresa može se vrlo razlikovati između dvije vrste. Kao i kod svih komponenti, visoka razina vlage može poništiti izvedbu kondenzatora filma, a za najbolju pouzdanost to bi trebalo biti dobro kontrolirano. Drugi praktični diferencijal je jednostavnost montažnih filmskih kondenzatora - dostupni su u izoliranim, volumetrično učinkovitim pravokutnim kućištima pravokutnih kutija s različitim opcijama električnog priključka, od vijčanih terminala do nosača, lažnih šipki, u usporedbi s tipičnim okruglim metalnim limenkama elektrolitika. Nepolarni dielektrični film daje ugradnju obrnutog i omogućuje upotrebu u aplikacijama gdje se primjenjuje AC, poput filtriranja pretvarača.
Naravno, na raspolaganju su mnogi dielektrični tipovi filmskog kondenzatora, a slika 1 daje sažetak njihovih komparativnih performansi [1]. Polipropilen film je ukupni pobjednik kada su gubici i pouzdanost pod stresom glavna razmatranja zbog niskog DF -a i visokog dielektričnog raspada po jedinici debljine. Ostali filmovi mogu biti bolji za temperaturnu ocjenu i kapacitet/volumen, s većim dielektričnim konstantama i tankoj dostupnosti filma, a pri niskim naponima poliester je i dalje u uobičajenoj upotrebi. DF je posebno važan i definiran kao ESR/kapacitivna reaktancija, a obično se specificira na 1 kHz i 25 ° C. Niski DF u usporedbi s drugim dielektricima podrazumijeva niže grijanje i način je uspoređivanja gubitaka po mikrofaradu. DF malo varira od frekvencije i temperature, ali polipropilen najbolje djeluje. Slike 2 i 3 prikazuju tipične parcele.
Postoje dvije glavne vrste konstrukcija filmskog kondenzatora koje koriste foliju i deponiranu metalizaciju, kao što je prikazano na slici 4. metalna folija koja je debljina približno 5 nm obično se koristi između dielektričnih slojeva za njegovu visoku vršnu struju, ali se nakon izdržljivog stresa ne samo-zacjeljuje. Metalizirani film formira vakuum i tipično odlaganje Al na 1200 ° C na film na debljinu otprilike 20–50 nm, a temperatura filma se kreće od -25 do -35 ° C,
Slika 3 Varijacija DF s frekvencijom za polipropilen film.
Slika 4 Konstrukcija filmskog kondenzatora
Iako se mogu koristiti i cink (Zn) i Al-Zn legure. Ovaj postupak omogućava samoizlječenje, gdje razgradnje u bilo kojoj točki u cijelom dielektriku uzrokuju lokalizirano intenzivno grijanje, možda do 6 000 ° C, uzrokujući formiranje plazme. Metalizacija oko kanala raspada se isparava, s brzim širenjem plazme koja ugasi iscjedak, što izolira defekt i kondenzator ostavlja u potpunosti funkcionalnim. Smanjenje kapacitivnosti je minimalno, ali s vremenom, što ga čini korisnim pokazateljem starenja komponente.
Uobičajena metoda za daljnje poboljšanje pouzdanosti je segmentiranje metalizacije na filmu u područja, možda i milijuni, s uskim vratima unoseći struju u segmente i djeluju kao osigurači za bruto preopterećenje. Sužavanje ukupne trenutne staze do metalizacije smanjuje vršnu struju rukovanja komponentom, ali dodatni uvedeni sigurnosni marža omogućuje korisno ocijenjeno kondenzator pri većim naponima.
Moderni polipropilen ima dielektričnu čvrstoću od približno 650 v/µm, a dostupan je u debljinama od otprilike 1,9 µm i prema gore, tako da su ocjene napona kondenzatora do nekoliko kilovolta rutinski dostižne, s tim da su neki dijelovi čak i ocijenjeni na 100 kV. Međutim, pri većim naponima, fenomen djelomičnog pražnjenja (PD), poznat i kao koronski iscjedak, postaje faktor. PD je visokonaponski slom mikrovoida u većini materijala ili u zračnim prazninama između slojeva materijala, što uzrokuje djelomični kratki spoj ukupne izolacijske staze. PD (pražnjenje korone) ostavlja lagani ugljični trag; Početni učinak je neprimjetan, ali s vremenom se može akumulirati dok se ne dogodi bruto i nagli raspad oslabljene izolacije s ugljikom. Učinak je opisan krivuljom Paschen, prikazanom na slici 5, i ima karakterističan napon za nastank i izumiranje. Na slici se prikazuju dvije primjere polja. Točke iznad krivulje Paschena, A, vjerojatno će proizvesti PD kvar.
Slika 5 Paschenova krivulja i primjeri snage električnog polja.
Da bi se suprotstavio učinku, kondenzatori s visokim naponom su impregnirani ulja kako bi isključili zrak iz slojeva. Tipovi donjeg napona imaju tendenciju da se ispune smola, što također pomaže kod mehaničke robusnosti. Drugo je rješenje formiranje serijskih kondenzatora u pojedinačnim kućištima, učinkovito smanjujući pad napona preko svakog do značaja ispod napona nastanka. PD je učinak zbog intenziteta električnog polja, pa je povećanje dielektrične debljine za smanjenje gradijenta napona uvijek moguće, ali povećava ukupnu veličinu kondenzatora. Postoje dizajni kondenzatora koji kombiniraju folije i metalizaciju kako bi se osiguralo kompromis između vršne sposobnosti struje i samoizlječenja. Metalizacija se također može ocjenjivati s ruba kondenzatora, tako da deblji materijal na rubovima daje bolje postupanje u struji i robusniji raskid lemljenjem ili zavarivanjem, a ocjenjivanje može biti kontinuirano ili zakoračiti.
Možda je korisno napraviti korak unatrag i promatrati kako je korištenje al-elektrolitičkih kondenzatora korisno. Jedan od primjera je u vanjskom pretvaraču od 1 kW s 1-kW s prednjim krajnjim dijelom koji je korektan napajanje, koji je potreban vožnja od 20 ms kroz, kao što je prikazano na slici 6. Obično će imati unutarnju DC sabirnicu s nominalnim naponom, VN, od 400 V i odlaskom napona, VD, od 300 VD-a.
Skupni kondenzator C1 pruža energiju za održavanje stalne izlazne snage tijekom određenog vremena vožnje, jer napon sabirnice pada sa 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 450 V ocjeni.
Ako Al-elektrolitički kondenzatori koriste se, tada jednadžba rezultira potrebnim volumenom otprilike 52 cm3 (tj. 3 u 3), npr., ako je TDK-EPCOS Koristi se serija B43508. Suprotno tome, filmski kondenzatori bili bi nepraktično veliki, što je zahtijevalo možda 15 paralelno u ukupnom volumenu od 1.500 cm3 (tj., 91 u 3) ako se koristi serija TDK-EPCOS B32678. Razlika je očita, ali izbor bi se promijenio ako je kondenzator potreban za kontrolu napona pucanja na DC liniji. Uzmite sličan primjer gdje je napon sabirnica 400-V iz baterije, tako da nije potrebno zadržavanje. Međutim, postoji potreba za smanjenjem efekta pucanja na, npr., 4 V srednje vrijednosti korijena (RMS) s 80 A impulsa visokofrekventne struje struje koje je uzeo pretvarač nizvodno na 20 kHz. To bi mogla biti primjena električnog vozila, a potrebna kapacitet može se aproksimirati iz C = IRMS/Vrippe.2.π.f = 80/4*2*3.14*20*1000 = 160 UF na 450 V ocjenjivanju.
Slika 6 Kondenzator za vožnju kroz (drži se). HVDC: visokonaponski DC.
Elektrolitički na 180 µF, 450 V može imati rippleturrentna ocjena od samo oko 3,5 A RMS na 60 ° C, uključujući frekvencijsku korekciju (serija EPCOS B43508). Stoga bi za 80 a 23 kondenzatora bila potrebna paralelno, što će proizvoditi nepotrebne 4.140 µF s ukupnim volumenom od 1.200 cm3 (tj., 73 u 3). To je u skladu s ponekad citiranom ocjenom od 20 mA/µF vatrenične struje za elektrolitiku. Ako se smatraju filmskim kondenzatorima, sada, samo četiri paralelno od EPCOS B32678 Serija daje 132-A RMS varvenu ocjenu u volumenu od 402 cm3 (tj., 24,5 u 3). Ako je temperatura ograničena na, npr., Manje od 70 ° C, tada se i dalje može odabrati manja veličina slučaja. Čak i ako odaberemo elektrolitiku na drugim osnovama, višak kapacitivnosti može uzrokovati druge probleme, poput kontrole energije u struji inrush. Naravno, ako bi se mogle pojaviti prolazni prenapon, tada bi filmski kondenzatori bili daleko robusniji u prijavi. Primjer za to bio bi u laganoj vuči, gdje povremena veza s katenarom uzrokuje prenapon na DC-Link veze.
Ovaj je primjer tipičan za mnoga okruženja danas, kao što su u neprekidnom sustavima napajanja, vjetrom i solarnom energijom, zavarivanjem i pretvaračima vezanim za mrežu. Razlike u troškovima između filma i AL elektrolitika mogu se sažeti na brojkama objavljenim 2013. godine [2]. Tipični troškovi za DC-Bus iz ispravljenih 440 VAC mogu se naći u tablici 1.
Ostale su aplikacije za razdvajanje i snubber krugovi u pretvaračima ili pretvaračima. Ovdje treba koristiti konstrukciju filma/folije ako dopušta veličina, jer metalizirane vrste zahtijevaju posebne korake dizajna i proizvodnje. Kao razdvajanje, kondenzator se postavlja preko istosmjerne sabirnice kako bi se osigurao niska induktivna staza za cirkuliranje visokofrekventnih struja, obično 1 µF na 100 A prebačenom. Bez kondenzatora, struja cirkulira kroz petlje s višom indukcijom, uzrokujući prolazne napone (VTR) prema sljedećem: VTR = -ldi/DT.
S obzirom na to da su moguće trenutne promjene od 1.000 A/µs, samo nekoliko nanohenrija induktivnosti može proizvesti značajne napone. Tragovi ploča s tiskanim krugom mogu imati induktivnost od oko 1 NH/mm, što u ovoj situaciji pruža otprilike 1 VTR/mm. Stoga je važno da veze budu što kraće. Za kontrolu DV/ DT preko prekidača, kondenzator i mreža otpornika/ dioda postavljaju se paralelno s IGBT ili mosfet (slika 7).
To usporava zvonjenje, kontrolira elektromagnetske smetnje (EMI) i sprečava lažno prebacivanje zbog visokog
Slika 7 Switch snubbing. Slika 8 Filmski kondenzatori kao EMI suzbijanje. Slika 9 Filmski kondenzatori u filtriranju EMC-a s motornim pogonom.
DV/DT, posebno u IGBTS -u. Polazište često čini snubber kapacitet otprilike dvostruko dvostruko više od zbroja izlaznog kapaciteta prekidača i montažnog kapaciteta, a otpornik se tada odabire da kritički vlasi bilo koji zvona. Formulirani su optimalni pristupi dizajniranju.
Sigurnosno ocijenjeni polipropilenski kondenzatori često se koriste kroz dalekovode za smanjenje EMI diferencijalnog načina (Slika 8). Njihova sposobnost da izdrže prolazne prenapuha i samozakošćiva je presudna. Kondenzatori u tim položajima ocijenjeni su kao X1 ili X2, što može izdržati 4- i 2,5-kV prijelazne. Vrijednosti korištene su često u mikrofaradima kako bi se postigla usklađenost sa tipičnim elektromagnetskom kompatibilnošću (EMC) standardima pri visokim razinama snage. Kondenzatori filma Y-tipa mogu se koristiti i u položajima linije do zemlje kako bi se smanjili uobičajeni način buke gdje je vrijednost kaitancije CacITance ograničena zbog razmatranja struje curenja (Slika 8). Verzije Y1 i Y2 dostupne su za prolazne ocjene 8- i 5 KV. Niske spojeve filmskih kondenzatora Također vam pomogne da se samoonovoz održava visokim.
Sve veća primjena za nepolarizirane kondenzatore je formiranje niskopropusnih filtera s serijskim induktorima za ublažavanje harmonika visoke frekvencije u izlaznom izlazu pogona i pretvarača (Slika 9). Kondenzatori polipropilena često se koriste za njihovu pouzdanost, visoku ocjenu vatrenog struja i dobru volumetrijsku učinkovitost u primjeni, a induktori i kondenzatori često se spakiraju u jedan modul. Opterećenja poput motora često su udaljena od pogonske jedinice, a filtri se koriste za omogućavanje sustava da ispune zahtjeve EMC -a i smanje stres na kabliranju i motorima s prekomjerne razine DV/DT.
