Die vielfältige Auswahl an Kondensatortypen hat sich in den letzten Jahren kaum verändert, die Anwendungen jedoch schon. In diesem Artikel betrachten wir den Einsatz von Kondensatoren in der Leistungselektronik und vergleichen die verfügbaren Technologien. Folienkondensatoren zeigen ihre Vorteile in kommenden Anwendungen wie z Elektrofahrzeuge , alternative Energieumwandlung und Wechselrichter in Antrieben . Allerdings sind Aluminium (Al)-Elektrolytika immer noch wichtig, wenn die Energiespeicherdichte die Hauptanforderung ist.
Al-Elektrolyt- oder Filmkondensator?
Es ist leicht, es abzutun Al-Elektrolyte als Technologie von gestern, aber der Leistungsunterschied zwischen ihnen und der Filmalternative ist nicht immer so klar. In Bezug auf die gespeicherte Energiedichte, also Joule/Kubikzentimeter, liegen sie immer noch vor Standard-Folienkondensatoren, wenn auch exotische Varianten wie segmentierte hochkristalline metallisiertes Polypropylen sind vergleichbar. Außerdem behalten Al-Elektrolyte ihre Welligkeitsstromleistung bei höheren Temperaturen besser bei als konkurrierende Folienkondensatoren. Sogar die wahrgenommenen Probleme mit der Lebensdauer und Zuverlässigkeit sind nicht so bedeutend, wenn die Al-Elektrolyse entsprechend herabgesetzt wird. Al-Elektrolyte sind immer noch sehr attraktiv, wenn die Überbrückung einer DC-Busspannung bei einem Stromausfall ohne Batterieunterstützung erforderlich ist. Wenn beispielsweise die Kosten ein treibender Faktor sind, ist es besonders schwer zu erwarten, dass Folienkondensatoren die Massenkondensatoren in Standard-Offline-Stromversorgungen ablösen werden.
Film gewinnt in vielerlei Hinsicht
Folienkondensatoren haben gegenüber anderen Kondensatoren mehrere wesentliche Vorteile: Die Werte des äquivalenten Serienwiderstands (ESR) können erheblich niedriger sein, was zu einer wesentlich besseren Welligkeitsstromverarbeitung führt. Auch die Stoßspannungswerte sind überlegen, und was vielleicht am wichtigsten ist: Folienkondensatoren können sich selbst heilen
Abb. 1 Die Eigenschaften der Kondensatorfolie.
Abb. 2 Die Variation des DF mit der Temperatur für Polypropylenfolie.
Nach Belastungen führt dies zu einer besseren Systemzuverlässigkeit und Lebensdauer. Allerdings hängt die Fähigkeit zur Selbstheilung vom Stresslevel, den Spitzenwerten und der Wiederholungsrate ab. Darüber hinaus ist aufgrund von Kohlenstoffablagerungen und Kollateralschäden durch den bei der Fehlerbeseitigung erzeugten Plasmalichtbogen immer noch ein katastrophaler Ausfall möglich. Diese Eigenschaften passen zu modernen Anwendungen der Leistungsumwandlung in Elektrofahrzeugen und alternativen Energiesystemen, bei denen keine Verzögerung bei Ausfällen oder zwischen Welligkeitsspitzen der Netzfrequenz erforderlich ist. Die Hauptanforderung ist die Fähigkeit, hochfrequente Welligkeitsströme zu erzeugen und abzuleiten, die Hunderte, wenn nicht Tausende von Ampere erreichen können, und dabei tolerierbare Verluste und eine hohe Zuverlässigkeit beizubehalten. Es gibt auch einen Trend hin zu höheren Busspannungen, um ohmsche Verluste bei bestimmten Leistungspegeln zu reduzieren. Dies würde eine Reihenschaltung von Al-Elektrolyten mit ihrer inhärenten maximalen Nennspannung von etwa 550 V bedeuten. Um ein Spannungsungleichgewicht zu vermeiden, kann es notwendig sein, teure Kondensatoren mit angepassten Werten zu wählen und Spannungsausgleichswiderstände zu verwenden, was zu Verlusten und Kosten führt.
Das Problem der Zuverlässigkeit ist nicht einfach, obwohl Elektrolyte unter kontrollierten Bedingungen mit Leistungsfilmen vergleichbar sind, was bedeutet, dass sie typischerweise nur 20 % der Überspannung standhalten, bevor es zu Schäden kommt. Im Gegensatz dazu können Folienkondensatoren für begrenzte Zeiträume möglicherweise 100 % der Überspannung aushalten. Bei einem Ausfall kann es zu einem Kurzschluss und einer Explosion der Elektrolyte kommen, wodurch eine ganze Reihe von Reihen-/Parallelbauteilen zerstört und eine gefährliche Elektrolytentladung verursacht wird. Auch Folienkondensatoren können sich selbst reparieren, allerdings kann die Systemzuverlässigkeit unter authentischen Bedingungen mit gelegentlicher Belastung zwischen den beiden Typen sehr unterschiedlich sein. Wie bei allen Komponenten kann eine hohe Luftfeuchtigkeit die Leistung des Folienkondensators beeinträchtigen. Um eine optimale Zuverlässigkeit zu gewährleisten, sollte dies gut kontrolliert werden. Ein weiteres praktisches Unterscheidungsmerkmal ist die einfache Montage von Folienkondensatoren – sie sind im Vergleich zu den typischen runden Metalldosen von in isolierten, volumetrisch effizienten rechteckigen Kastengehäusen mit einer Vielzahl elektrischer Anschlussmöglichkeiten erhältlich, von Schraubklemmen bis hin zu Kabelschuhen, Fastons und Sammelschienen Elektrolyte. Der unpolare dielektrische Film sorgt für eine verpolungssichere Montage und ermöglicht den Einsatz in Anwendungen, bei denen Wechselstrom angelegt wird, beispielsweise bei der Filterung des Wechselrichterausgangs.
Natürlich gibt es viele Typen von Filmkondensator-Dielektrika, und Abbildung 1 gibt einen Überblick über ihre vergleichenden Leistungen [1]. Polypropylenfolie ist aufgrund ihres geringen DF und hohen dielektrischen Durchschlags pro Dickeneinheit der Gesamtsieger, wenn Verluste und Zuverlässigkeit unter Belastung im Vordergrund stehen. Die anderen Folien können im Hinblick auf Temperaturbeständigkeit und Kapazität/Volumen besser sein, mit höheren Dielektrizitätskonstanten und geringerer Folienverfügbarkeit, und bei niedrigen Spannungen wird Polyester immer noch häufig verwendet. Der DF ist besonders wichtig und wird als ESR/kapazitive Reaktanz definiert. Er wird normalerweise bei 1 kHz und 25 °C angegeben. Ein niedriger DF im Vergleich zu anderen Dielektrika bedeutet eine geringere Erwärmung und ist eine Möglichkeit, Verluste pro Mikrofarad zu vergleichen. Der DF variiert leicht mit der Frequenz und der Temperatur, aber Polypropylen schneidet am besten ab. Die Abbildungen 2 und 3 zeigen die typischen Diagramme.
Es gibt zwei Haupttypen von Filmkondensatorkonstruktionen, die Folie und abgeschiedene Metallisierung verwenden, wie in Abbildung 4 dargestellt. Aufgrund ihrer hohen Spitzenstromfähigkeit wird normalerweise eine Metallfolie mit einer Dicke von etwa 5 nm zwischen dielektrischen Schichten verwendet, sie bildet sich jedoch nicht selbst -Heilung nach anhaltendem Stress. Ein metallisierter Film wird durch Vakuum und durch typische Abscheidung von Al bei 1.200 °C auf dem Film bis zu einer Dicke von etwa 20–50 nm gebildet, wobei die Temperatur des Films zwischen –25 und –35 °C liegt.
Abb. 3 Die Variation des DF mit der Frequenz für Polypropylenfolie.
ABB. 4 Der Aufbau des Folienkondensators
obwohl auch Zink (Zn) und Al-Zn-Legierungen verwendet werden können. Dieser Prozess ermöglicht eine Selbstheilung, bei der Durchschläge an einer beliebigen Stelle des Dielektrikums zu einer lokal starken Erhitzung führen, möglicherweise bis zu 6.000 °C, wodurch sich ein Plasma bildet. Die Metallisierung um den Durchschlagskanal wird verdampft, wobei die schnelle Expansion des Plasmas die Entladung löscht, wodurch der Defekt isoliert wird und der Kondensator voll funktionsfähig bleibt. Die Verringerung der Kapazität ist minimal, nimmt jedoch mit der Zeit zu und ist somit ein nützlicher Indikator für die Alterung der Komponente.
Eine übliche Methode zur weiteren Verbesserung der Zuverlässigkeit besteht darin, die Metallisierung auf dem Film in Bereiche, vielleicht Millionen, zu segmentieren, wobei schmale Gates den Strom in die Segmente einspeisen und als Sicherungen für grobe Überlastungen dienen. Die Verengung des Gesamtstrompfads zur Metallisierung verringert zwar die Spitzenstrombelastbarkeit der Komponente, aber die zusätzliche Sicherheitsmarge ermöglicht eine sinnvolle Auslegung des Kondensators bei höheren Spannungen.
Modernes Polypropylen hat eine Durchschlagsfestigkeit von etwa 650 V/µm und ist in Dicken von etwa 1,9 µm und mehr erhältlich, sodass Kondensatorspannungen von bis zu mehreren Kilovolt routinemäßig erreichbar sind, wobei einige Teile sogar für 100 kV ausgelegt sind. Bei höheren Spannungen tritt jedoch das Phänomen der Teilentladung (Partial Discharge, PD), auch Koronaentladung genannt, in Erscheinung. PD ist der Hochspannungsdurchbruch von Mikrohohlräumen in der Materialmasse oder in den Luftspalten zwischen Materialschichten, was zu einem teilweisen Kurzschluss des gesamten Isolierpfads führt. PD (Corona-Entladung) hinterlässt eine leichte Kohlenstoffspur; Der anfängliche Effekt ist nicht wahrnehmbar, kann sich jedoch im Laufe der Zeit verstärken, bis es zu einem groben und plötzlichen Ausfall der geschwächten, kohlenstoffhaltigen Isolierung kommt. Der Effekt wird durch die in Abbildung 5 dargestellte Paschen-Kurve beschrieben und weist eine charakteristische Anfangs- und Auslöschungsspannung auf. Die Abbildung zeigt zwei beispielhafte Feldstärken. Punkte oberhalb der Paschen-Kurve, A, führen wahrscheinlich zu einem PD-Zusammenbruch.
Abb. 5 Die Paschen-Kurve und beispielhafte elektrische Feldstärken.
Um diesem Effekt entgegenzuwirken, werden Kondensatoren für sehr hohe Spannungen mit Öl imprägniert, um Luft von den Schichtgrenzflächen fernzuhalten. Typen mit niedrigerer Spannung sind in der Regel mit Harz gefüllt, was auch zur mechanischen Robustheit beiträgt. Eine andere Lösung besteht darin, Reihenkondensatoren in einzelnen Gehäusen zu bilden, wodurch der Spannungsabfall über jedem auf deutlich unter die Anfangsspannung reduziert wird. PD ist ein Effekt, der auf die Intensität des elektrischen Feldes zurückzuführen ist. Daher ist eine Erhöhung der Dielektrikumsdicke zur Verringerung des Spannungsgradienten immer möglich, erhöht jedoch die Gesamtgröße des Kondensators. Es gibt Kondensatordesigns, die Folien und Metallisierung kombinieren, um einen Kompromiss zwischen Spitzenstromfähigkeit und Selbstheilung zu bieten. Die Metallisierung kann auch vom Rand des Kondensators aus abgestuft sein, sodass dickeres Material an den Rändern eine bessere Stromhandhabung und einen robusteren Anschluss durch Löten oder Schweißen ermöglicht. Die Abstufung kann kontinuierlich oder gestuft sein.
Es ist vielleicht sinnvoll, einen Schritt zurückzutreten und zu beobachten, welche Vorteile die Verwendung von Al-Elektrolytkondensatoren hat. Ein Beispiel ist ein 1-kW-Offline-Wandler mit einem Wirkungsgrad von 90 % und einem leistungsfaktorkorrigierten Frontend, der eine Durchlaufzeit von 20 ms benötigt, wie in Abbildung 6 dargestellt. Er verfügt normalerweise über einen internen Gleichstrombus mit Die Nennspannung Vn beträgt 400 V und die Abfallspannung Vd 300 V, unterhalb derer die Ausgangsregelung verloren geht.
Der Massenkondensator C1 liefert Energie, um während der angegebenen Überbrückungszeit eine konstante Ausgangsleistung aufrechtzuerhalten, wenn die Busspannung nach einem Ausfall von 400 auf 300 V abfällt. Mathematisch gesehen ist Po t/h =1/2 C(Vn²-Vd²) oder C=2*1000*0,02/0,9*(400²-300²) =634nF bei 450 V Nennspannung.
Wenn Al-Elektrolytkondensatoren verwendet werden, ergibt die Gleichung ein erforderliches Volumen von etwa 52 cm3 (d. h. 3 in 3), z. B. wenn die TDK-EPCOS Es wird die Serie B43508 verwendet. Im Gegensatz dazu wären Folienkondensatoren unpraktisch groß und würden vielleicht 15 parallel geschaltete Kondensatoren bei einem Gesamtvolumen von 1.500 cm3 (d. h. 91 in 3) erfordern, wenn die TDK-EPCOS B32678-Serie verwendet würde. Der Unterschied ist offensichtlich, aber die Wahl würde sich ändern, wenn der Kondensator zur Steuerung der Welligkeitsspannung auf einer Gleichstromleitung benötigt würde. Nehmen Sie ein ähnliches Beispiel, bei dem die 400-V-Busspannung von einer Batterie stammt, sodass keine Überbrückung erforderlich ist. Es besteht jedoch die Notwendigkeit, den Welligkeitseffekt auf z. B. 4 V Effektivwert (RMS) von 80 A RMS-Hochfrequenzstromimpulsen zu reduzieren, die von einem nachgeschalteten Wandler bei 20 kHz aufgenommen werden. Dies könnte eine Elektrofahrzeuganwendung sein, und die erforderliche Kapazität kann durch C=irms/Vrippe.2.Π.f=80/4*2*3,14*20*1000=160 uF bei 450 V Nennspannung angenähert werden.
ABB. 6 Der Kondensator zum Durchfahren (Halten). HGÜ: Hochspannungsgleichstrom.
Ein Elektrolyt mit 180 µF und 450 V hat unter Umständen einen Welligkeitsstromwert von nur etwa 3,5 A rms bei 60 °C, einschließlich Frequenzkorrektur (Serie EPCOS B43508). Für 80 A wären also 23 Kondensatoren parallel erforderlich, was unnötige 4.140 µF bei einem Gesamtvolumen von 1.200 cm3 (d. h. 73 in 3) erzeugen würde. Dies entspricht dem manchmal angegebenen Welligkeitsstromwert von 20 mA/µF für Elektrolyte. Wenn man Folienkondensatoren berücksichtigt, sind es jetzt nur noch vier parallel geschaltete EPCOS B32678 Die Serie bietet einen Rippelstrom-Nennwert von 132 A rms in einem Volumen von 402 cm3 (d. h. 24,5 in 3). Wenn die Temperatur beispielsweise auf weniger als 70 °C Umgebungstemperatur beschränkt ist, kann dennoch eine kleinere Gehäusegröße gewählt werden. Selbst wenn wir uns aus anderen Gründen für die Elektrolyse entscheiden, könnte die überschüssige Kapazität andere Probleme verursachen, beispielsweise die Steuerung der Energie im Einschaltstrom. Wenn es natürlich zu transienten Überspannungen kommen könnte, wären die Folienkondensatoren in der Anwendung weitaus robuster. Ein Beispiel hierfür wäre die leichte Traktion, wo eine intermittierende Verbindung zu einer Oberleitung zu einer Überspannung an der Gleichstromverbindung führt.
Dieses Beispiel ist typisch für viele heutige Umgebungen, beispielsweise in unterbrechungsfreien Stromversorgungssystemen, bei Wind- und Solarenergie, beim Schweißen und bei netzgebundenen Wechselrichtern. Die Kostenunterschiede zwischen Film- und Al-Elektrolyten lassen sich in Zahlen aus dem Jahr 2013 zusammenfassen [2]. Die typischen Kosten für einen Gleichstrombus mit gleichgerichteter 440 VAC finden Sie in Tabelle 1.
Weitere Anwendungen sind die Entkopplung und Snubber-Schaltungen in Konvertern oder Wechselrichtern. Hier sollte, sofern die Größe dies zulässt, auf eine Film-/Folienkonstruktion zurückgegriffen werden, da metallisierte Typen besondere Konstruktions- und Fertigungsschritte erfordern. Zur Entkopplung wird der Kondensator über den DC-Bus gelegt, um einen Pfad mit niedriger Induktivität für die Zirkulation hochfrequenter Ströme bereitzustellen, typischerweise 1 µF pro geschalteten 100 A. Ohne den Kondensator zirkuliert der Strom durch Schleifen mit höherer Induktivität und verursacht Übergangsspannungen (Vtr) gemäß der folgenden Formel: Vtr = -Ldi/dt.
Da Stromänderungen von 1.000 A/µs möglich sind, können bereits wenige Nanohenry Induktivität erhebliche Spannungen erzeugen. Leiterbahnen auf Leiterplatten können eine Induktivität von etwa 1 nH/mm haben, was in dieser Situation daher etwa 1 Vtr/mm ergibt. Daher ist es wichtig, dass die Verbindungen so kurz wie möglich sind. Um dV/dt über Schalter zu steuern, werden der Kondensator und ein Widerstands-/Diodennetzwerk parallel zu einem geschaltet IGBT oder MOSFET (Abbildung 7).
Dies verlangsamt das Klingeln, kontrolliert elektromagnetische Interferenzen (EMI) und verhindert Fehlschaltungen aufgrund von hohen Frequenzen
ABB. 7 Der Schalter brüskiert. Abb. 8 Die Folienkondensatoren dienen der EMI-Unterdrückung. Abb. 9 Die Folienkondensatoren zur EMV-Filterung von Motorantrieben.
dV/dt, insbesondere bei IGBTs. Ein Ausgangspunkt besteht oft darin, die Snubber-Kapazität ungefähr auf das Doppelte der Summe aus der Schalterausgangskapazität und der Montagekapazität einzustellen. Anschließend wird der Widerstand so gewählt, dass jegliches Nachschwingen kritisch gedämpft wird. Es wurden weitere optimale Designansätze formuliert.
Über Stromleitungen werden häufig sicherheitsbewertete Polypropylen-Kondensatoren eingesetzt, um Gegentakt-EMI zu reduzieren (Abbildung 8). Ihre Fähigkeit, transienten Überspannungen standzuhalten und sich selbst zu heilen, ist von entscheidender Bedeutung. Kondensatoren in diesen Positionen sind als X1 oder X2 ausgelegt und können 4- bzw. 2,5-kV-Transienten standhalten. Die verwendeten Werte liegen oft im Mikrofarad, um die Einhaltung typischer elektromagnetischer Verträglichkeitsnormen (EMV) bei hohen Leistungspegeln zu erreichen. Folienkondensatoren vom Y-Typ können auch in Leitung-zu-Erde-Positionen verwendet werden, um Gleichtaktrauschen zu dämpfen, wenn der Kapazitätswert aufgrund von Überlegungen zum Leckstrom begrenzt ist (Abbildung 8). Die Versionen Y1 und Y2 sind für 8- bzw. 5-kV-Transientenwerte verfügbar. Geringe Anschlussinduktivitäten von Folienkondensatoren tragen auch dazu bei, die Eigenresonanz hoch zu halten.
Eine zunehmende Anwendung für unpolarisierte Kondensatoren besteht darin, Tiefpassfilter mit Reiheninduktivitäten zu bilden, um hochfrequente Oberschwingungen im Wechselstromausgang von Antrieben und Wechselrichtern zu dämpfen (Abbildung 9). Polypropylen-Kondensatoren werden häufig aufgrund ihrer Zuverlässigkeit, ihres hohen Ripple-Stromwerts und ihres guten volumetrischen Wirkungsgrads in der Anwendung verwendet, und die Induktivitäten und Kondensatoren werden häufig zusammen in einem Modul untergebracht. Lasten wie Motoren sind häufig weit von der Antriebseinheit entfernt, und Filter werden verwendet, damit Systeme die EMV-Anforderungen erfüllen und die Belastung von Kabeln und Motoren durch zu hohe dV/dt-Werte verringert werden.
