Die vielfältige Sammlung von Kondensatortypen hat sich in den letzten Jahren nicht wesentlich verändert, die Anwendungen haben jedoch sicherlich. In diesem Artikel untersuchen wir, wie Kondensatoren in der Stromversorgungselektronik verwendet werden, und vergleichen die verfügbaren Technologien. Filmkondensatoren zeigen ihre Vorteile in bevorstehenden Anwendungen wie z. Elektrofahrzeuge , alternative Energieleistungsumwandlung und Wechselrichter in Laufwerken . Aluminium (AL) -Elektrolytik ist jedoch immer noch wichtig, wenn die Energiespeicherdichte die Hauptanforderung ist.
AL Electrolitic oder Film Concacitor?
Es ist leicht zu entlassen Al -Elektrolytik Als gestrige Technologie, aber die Leistungsunterschiede zwischen ihnen und der Filmalternative ist nicht immer so klar. In Bezug auf die gespeicherte Energiedichte, d. H. Joule/Kubikzentimeter, sind sie noch den Standardfilmkondensatoren voraus, obwohl exotische Varianten wie segmentierte Hochkristallin Metallisierte Polypropylen sind vergleichbar. Auch AL Electrolytics halten ihre Ripple-Strom-Bewertung bei höheren Temperaturen besser als konkurrierende Filmkondensatoren. Sogar die wahrgenommenen Lebens- und Zuverlässigkeitsprobleme sind nicht so signifikant, wenn die Al -Elektrolytik angemessen gestört wird. Al-Elektrolytik ist immer noch sehr attraktiv, wenn die Durchführung einer DC-Busspannung auf einem Stromausfall ohne Batterie-Backup erforderlich ist. Wenn die Kosten beispielsweise ein treibender Faktor sind, ist es besonders schwierig, Filmkondensatoren zu antizipieren, die die Massenkondensatoren in Rohstoff-Offline-Netzteilen übernehmen.
Film gewinnt in vielerlei Hinsicht
Filmkondensatoren haben mehrere signifikante Vorteile gegenüber anderen Kondensatoren: ESR -Bewertungen (Equivalent Series Resistenz) können dramatisch niedriger sein, was zu einer viel besseren Handhabung von wackelloses Handhabung führt. Die Anstiegsspannungsbewertungen sind ebenfalls überlegen, und vielleicht am deutlichsten, Filmkondensatoren können sich selbst heilt
Abb. 1 Die Kondensatorfilmmerkmale.
Abb. 2 Die Variation des DF mit der Temperatur für Polypropylenfilm.
Nach Stress, was zu einer besseren Systemzuverlässigkeit und Lebensdauer führt. Die Fähigkeit zur Selbstheilung hängt jedoch vom Spannungsniveau, den Spitzenwerten und der Wiederholungsrate ab. Darüber hinaus ist ein eventuelles katastrophales Versagen aufgrund von Kohlenstoffablagerung und Kollateralschäden durch den Plasma -Bogen, der während der Fehlersäuierung erzeugt wird, immer noch möglich. Diese Eigenschaften entsprechen den modernen Anwendungen der Leistungsumwandlung in Elektrofahrzeugen und alternativen Energiesystemen, bei denen kein Halt mit Ausfällen oder zwischen Ripple-Spitzen von Linienfrequenz erforderlich ist. Die Hauptanforderung ist die Fähigkeit, Hochfrequenzströme zu beziehen und zu sinken, die möglicherweise Hunderte, wenn nicht Tausende von Verstärkern erreichen und gleichzeitig tolerierbare Verluste und hohe Zuverlässigkeit beibehalten. Es gibt auch eine Bewegung zu höheren Busspannungen, um die ohmischen Verluste bei bestimmten Leistungsniveaus zu verringern. Dies würde eine Serienverbindung der AL -Elektrolytik mit ihrer inhärenten maximalen Spannung von ungefähr 550 V bedeuten. Um ein Spannungsungleichgewicht zu vermeiden, kann es erforderlich sein, die teuren Kondensatoren mit übereinstimmenden Werten zu wählen und Spannungsausgleichswiderstände mit ihren damit verbundenen Verlusten und Kosten zu verwenden.
Das Zuverlässigkeitsproblem ist nicht einfach, obwohl die Elektrolytik unter kontrollierten Bedingungen mit dem Stromfilm vergleichbar ist, was bedeutet, dass sie normalerweise nur 20% der Überspannung standhalten, bevor der Schaden auftritt. Im Gegensatz dazu können Filmkondensatoren möglicherweise 100% der Überspannung für begrenzte Zeiträume standhalten. Nach dem Ausfall kann die Elektrolytik kurzfristig und explodieren und eine ganze Reihe von Serien-/Parallelkomponenten mit einer gefährlichen Elektrolytentladung abnehmen. Filmkondensatoren können auch selbstheuert, aber die Systemzuverlässigkeit unter authentischen Bedingungen gelegentlicher Stress kann zwischen den beiden Typen sehr unterschiedlich sein. Wie bei allen Komponenten können hohe Luftfeuchtigkeitsniveaus die Leistung des Filmkondensators beeinträchtigen, und für die beste Zuverlässigkeit sollte dies gut kontrolliert werden. Ein weiteres praktisches Unterscheidungsmerkmal ist die einfache Montagefilmkondensatoren - sie sind in isolierten, volumetrisch effizienten rechteckigen Kastengehäusen mit einer Vielzahl elektrischer Verbindungsoptionen erhältlich, von Schraubenklemmen bis hin zu Schleppern, Fastons und Busstangen im Vergleich zu den typischen runden Metalldosen der Elektrolytik. Der unpolare dielektrische Film bietet eine umgekehrte Montage und ermöglicht die Verwendung in Anwendungen, in denen Wechselstrom angewendet wird, z.
Natürlich gibt es viele dielektrische Typen für Filmkondensator, und Abbildung 1 enthält eine Zusammenfassung ihrer vergleichenden Leistungen [1]. Polypropylenfilm ist der Gesamtsieger, wenn Verluste und Zuverlässigkeit unter Stress die Hauptüberlegungen aufgrund seines niedrigen DF und seines hohen dielektrischen Abbaues pro Dicke der Einheit sind. Die anderen Filme können für die Temperaturbewertung und Kapazität/das Kapazität/das Kapazität/die Verfügbarkeit von höheren dielektrischen Konstanten und die Verfügbarkeit von dünnerem Film besser sein, und bei niedrigen Spannungen wird Polyester immer noch gemeinsam verwendet. Der DF ist besonders wichtig und definiert als ESR/kapazitive Reaktanz und wird normalerweise bei 1 kHz und 25 ° C angegeben. Ein niedriger DF im Vergleich zu anderen Dielektrika impliziert eine geringere Erwärmung und ist ein Weg, Verluste pro Mikrofarad zu vergleichen. DF variiert leicht von Frequenz und Temperatur, aber Polypropylen funktioniert am besten. Die Abbildungen 2 und 3 zeigen die typischen Diagramme.
Es gibt zwei Haupttypen von Filmkondensatorkonstruktionen, die Folie und die abgelagerte Metallisation verwenden, wie in Abbildung 4 gezeigt. Metallfolie, die ungefähr 5-nm dick ist, wird typischerweise zwischen Dielektrizitätsschichten für seine hohe Spitzenstromfähigkeit verwendet, aber nach dicht hellem Stress ist es nicht selbsthändig. Metalisierter Film wird durch ein Vakuum gebildet und durch typische Ablagerung von AL bei 1.200 ° C auf den Film bis zu einer Dicke von ungefähr 20–50 nm, wobei die Temperatur des Films zwischen –25 und –35 ° C reicht,
Abb. 3 Die Variation des DF mit der Frequenz für Polypropylenfilm.
Abb. 4 Der Filmkondensatorkonstruktion
obwohl Zink (Zn) und Al-Zn-Legierungen auch verwendet werden können. Dieser Prozess ermöglicht die Selbstheilung, bei denen Aufschlüsse zu einem beliebigen Punkt im gesamten dielektrischen Dielektrikum eine lokalisierte intensive Erwärmung verursachen, möglicherweise bis zu 6.000 ° C, wodurch sich ein Plasma bildet. Die Metallisation um den Breakdown -Kanal wird verdampft, wobei die schnelle Ausdehnung des Plasmas die Entladung löscht, die den Defekt isoliert und den Kondensator voll funktionsfähig lässt. Die Reduzierung der Kapazität ist minimal, aber im Laufe der Zeit additiv und macht es zu einem nützlichen Indikator für die Alterung der Komponente.
Eine gemeinsame Methode zur weiteren Zuverlässigkeitsverbesserung besteht darin, die Metallisation des Films in Bereiche, möglicherweise Millionen, zu unterteilen, wobei enge Tore den Strom in die Segmente einspeisen und als Sicherungen für grobe Überlastungen fungieren. Die Verengung des Gesamtstrompfads zur Metallisation verringert den Spitzenstromhandhabung der Komponente, aber der eingeführte zusätzliche Sicherheitsmarge kann dem Kondensator bei höheren Spannungen nützlich bewertet werden.
Das moderne Polypropylen hat eine dielektrische Stärke von ungefähr 650 V/µm und ist in Dicken von ungefähr 1,9 µm und nach oben erhältlich, so Bei höheren Spannungen wird das Phänomen der Teilentladung (PD), auch als Korona -Entladung bezeichnet, zu einem Faktor. PD ist der Hochspannungsabbau von Mikrovoiden in der Masse des Materials oder in den Luftlücken zwischen Materialschichten, was zu einem teilweisen Kurzschluss des Gesamtsisolationswegs führt. PD (Korona -Entladung) hinterlässt eine leichte Kohlenstoffspur; Der anfängliche Effekt ist unbemerkt, kann sich aber im Laufe der Zeit ansammeln, bis ein grober und plötzlicher Abbau der geschwächten Isolierung, kohlenstoffverzerrte Isolierung auftritt. Der Effekt wird durch die in Abbildung 5 gezeigte Paschen -Kurve beschrieben und hat eine charakteristische Inception- und Extinktionsspannung. Die Abbildung zeigt zwei Beispielfeldstärken. Punkte über der Paschen -Kurve A erzeugen wahrscheinlich einen PD -Zusammenbruch.
Abb. 5 Die Paschen -Kurve und Beispiele für elektrische Feldstärken.
Um dem Effekt entgegenzuwirken, werden mit sehr hochspannungsbewerteten Kondensatoren Öl imprägniert, um Luft von Schichtgrenzflächen auszuschließen. Unterspannungstypen sind in der Regel von Harz gefüllt, was auch bei der mechanischen Robustheit hilft. Eine andere Lösung besteht darin, Serienkondensatoren in einzelnen Gehäusen zu bilden, was den Spannungsabfall effektiv auf den jeweils deutlich unter der Inception -Spannung reduziert. PD ist aufgrund der elektrischen Feldintensität ein Effekt, sodass eine Erhöhung der dielektrischen Dicke zur Verringerung des Spannungsgradienten immer möglich ist, erhöht jedoch die Gesamtgröße des Kondensators. Es gibt Kondensatordesigns, die Folien und Metallisation kombinieren, um einen Kompromiss zwischen Spitzenstromfähigkeit und Selbstheilung zu schaffen. Die Metallisation kann auch vom Rand des Kondensators so eingestuft werden, dass dickeres Material an den Kanten eine bessere aktuelle Handhabung und eine robustere Beendigung durch Löten oder Schweißen verleiht, und die Einstufung kann kontinuierlich oder getrennt werden.
Es ist vielleicht nützlich, einen Schritt zurückzutreten und zu beobachten, wie vorteilhaft es ist, al-elektrolytische Kondensatoren zu verwenden. Ein Beispiel liegt in einem 90%-Effizienz 1-kW-Offline-Konverter mit einem von Power-Factor-korrigierten Frontend, der eine 20-ms-Fahrt benötigt, wie in Abbildung 6 gezeigt. In der Regel hat es einen internen Gleichstrombus mit nominaler Spannung, VN, von 400 V und einer Abbrecherspannung, VD, von 300 V, unter dem. Die Ausgangsregelung ist verloren.
Der Massenkondensator C1 versorgt Energie, um während der angegebenen Fahrzeit die konstante Ausgangsleistung aufrechtzuerhalten, wenn die Busspannung nach einem Ausfall von 400 auf 300 V sinkt. Mathematisch po t/h = 1/2 c (VN²-VD²) oder C = 2*1000*0,02/0,9*(400²-300²) = 634NF bei 450 V.
Wenn Al-elektrolytische Kondensatoren werden verwendet, dann führt die Gleichung zu einem erforderlichen Volumen von ungefähr 52 cm3 (d. H. 3 in 3), z. B. wenn die Tdk-epcos Die B43508 -Serie wird verwendet. Im Gegensatz dazu wären Filmkondensatoren unpraktisch groß und erfordern möglicherweise 15 parallel bei einem Gesamtvolumen von 1.500 cm3 (d. H. 91 in 3), wenn die TDK-Epcos B32678-Serie verwendet wird. Der Unterschied ist offensichtlich, aber die Wahl würde sich ändern, wenn der Kondensator die Ripple -Spannung auf einer Gleichstromlinie steuern müsste. Nehmen Sie ein ähnliches Beispiel, bei dem sich die 400-V-Busspannung aus einer Batterie stammt, sodass das Hold nicht erforderlich ist. Es besteht jedoch die Notwendigkeit, den Ripple-Effekt auf das Quadrat (RMS) mit 4 V-Wurzeln (RMS) von 80 A RMS-Hochfrequenzstromimpulsen zu verringern, die von einem nachgeschalteten Konverter bei 20 kHz aufgenommen wurden. Dies kann eine Anwendung von Elektrofahrzeugen sein, und die erforderliche Kapazität kann von c = irms/vrippe angenähert werden.
Abb. 6 Der Kondensator für eine Fahrt durch (halten). HVDC: Hochspannungsdc.
Ein Elektrolyt bei 180 µF, 450 V, kann eine wackelige Bewertung von nur ungefähr 3,5 A RMs bei 60 ° C haben, einschließlich Frequenzkorrektur (EPCOS B43508 -Serie). Daher wären für 80 a 23 Kondensatoren parallel erforderlich, wobei eine unnötige 4.140 uF mit einem Gesamtvolumen von 1.200 cm3 (d. H. 73 in 3) erzeugt wird. Dies entspricht der manchmal zitierten 20 mA/µF-Wellenstrombewertung für Elektrolytik. Wenn Filmkondensatoren jetzt nur vier parallel zur EPCOS B32678 Die Serien geben eine 132-A-RMS-Wellenstrombewertung in einem Band von 402 cm3 (d. H. 24,5 in 3). Wenn die Temperatur auf eine Umgebung mit weniger als 70 ° C beschränkt ist, kann noch eine kleinere Gehäusegröße gewählt werden. Auch wenn wir aus anderen Gründen Elektrolytika wählen, kann die überschüssige Kapazität zu anderen Problemen führen, z. B. die Kontrolle der Energie im Einschaltstrom. Wenn vorübergehende Überspannungen auftreten könnten, wären die Filmkondensatoren in der Anwendung natürlich weitaus robuster. Ein Beispiel hierfür wäre eine leichte Traktion, wobei eine intermittierende Verbindung zu einem Katzenärer zu Überspannung auf der DC-Link-Verbindung führt.
Dieses Beispiel ist typisch für viele heutige Umgebungen, z. Die Kostenunterschiede zwischen Film und Al -Elektrolytik können in den 2013 veröffentlichten Zahlen zusammengefasst werden [2]. Die typischen Kosten für einen Gleichstrombus aus behobenem 440 VAC finden Sie in Tabelle 1.
Andere Anwendungen dienen zur Entkopplung und Schaltkreise in Konvertern oder Wechselrichtern. Hier sollte eine Film-/Folienkonstruktion verwendet werden, wenn die Größe zulässt, da metallisierte Typen spezielle Design- und Fertigungsschritte erfordern. Als Entkopplung wird der Kondensator über den DC-Bus platziert, um einen niedrigen Induktivitätspfad für zirkulierende Hochfrequenzströme zu bieten, typischerweise 1 µF pro 100 a umgeschaltet. Ohne den Kondensator zirkuliert der Strom durch höhere Induktionsschleifen, was nach Folgendem transiente Spannungen (VTR) verursacht: VTR = -LDI/DT.
Da aktuelle Änderungen von 1.000 A/µs möglich sind, können nur einige Nanohenries der Induktivität erhebliche Spannungen erzeugen. Print-Circuit-Board-Spuren können eine Induktivität von rund 1 NH/mm aufweisen, die daher in dieser Situation ungefähr 1 VTR/mm bereitstellen. Daher ist es wichtig, dass Verbindungen so kurz wie möglich sind. Um DV/ DT über Schalter zu steuern, werden der Kondensator und ein Widerstand/ Dioden -Netzwerk parallel zu einem platziert IGBT oder MOSFET (Abbildung 7).
Dies verlangsamt das Klingeln, steuert die elektromagnetische Interferenz (EMI) und verhindert ein falsches Schalten aufgrund von Hoch
Abb. 7 Der Schalter schnüffelt. Abb. 8 Die Filmkondensatoren als EMI -Unterdrückung. Abb. 9 Die Filmkondensatoren in Motorantrieb EMC-Filterung.
DV/DT, insbesondere in IGBTs. Ein Ausgangspunkt besteht häufig darin, die Snubberkapazität ungefähr so doppelt sozusagen der Summe der Kapazität des Schalterausgangs und der Befestigungskapazität zu machen, und der Widerstand wird dann ausgewählt, um das Klingeln kritisch zu feuchten. Es wurden optimalere Designansätze formuliert.
Sicherlich bewertete Polypropylenkondensatoren werden häufig über Stromleitungen hinweg verwendet, um den Differentialmodus EMI zu reduzieren (Abbildung 8). Ihre Fähigkeit, vorübergehenden Überspannungen und Selbstheilung standzuhalten, ist entscheidend. Kondensatoren in diesen Positionen werden als X1 oder X2 bewertet, die 4- bzw. 2,5-kV-Transienten standhalten können. Die verwendeten Werte sind häufig in den Mikrofaraden, um die Einhaltung der typischen elektromagnetischen Kompatibilitätsstandards (EMC) bei hohen Leistungsniveaus zu erreichen. Die Kondensatoren vom Typ Y-Typ können auch in Line-to-Deart-Positionen verwendet werden, um das gemeinsame Modus-Rauschen abzuschwächen, bei dem der CA-Tiefe aufgrund von Überlegungen zum Leckstrom begrenzt ist (Abbildung 8). Y1- und Y2-Versionen sind für 8- und 5-kV-Transienten-Bewertungen verfügbar. Niedrige Verbindungsinduktanzen von Filmkondensatoren Halten Sie auch die Selbstresonanzen hoch.
Eine zunehmende Anwendung für nichtpolarisierte Kondensatoren besteht darin, Tiefpassfilter mit Serieninduktoren zu bilden, um Hochfrequenzharmonische bei der Wechselstromausgabe von Laufwerken und Wechselrichtern abzuschwächen (Abbildung 9). Polypropylenkondensatoren werden häufig für ihre Zuverlässigkeit, eine hohe Wellenstrombewertung und eine gute volumetrische Effizienz in der Anwendung verwendet, und die Induktoren und Kondensatoren werden häufig in einem Modul zusammen verpackt. Lasten wie Motoren sind häufig von der Antriebseinheit entfernt, und Filter werden verwendet, um die Systeme zu ermöglichen, die EMC -Anforderungen zu erfüllen und die Spannung der Verkabelung und Motoren von übermäßigen DV/DT -Niveaus zu verringern.
