Tento týden pokračujeme v článku z minulého týdne.

1.2 Elektrolytické kondenzátory

Dielektrikum používané v elektrolytických kondenzátorech je oxid hlinitý, který vzniká korozí hliníku, s dielektrickou konstantou 8 až 8,5 a pracovní dielektrickou pevností přibližně 0,07 V/A (1 µm = 10 000 A). Takové tloušťky však není možné dosáhnout. Tloušťka hliníkové vrstvy snižuje kapacitní činitel (měrnou kapacitu) elektrolytických kondenzátorů, protože hliníková fólie musí být leptána, aby se vytvořil film oxidu hlinitého, aby se dosáhlo dobrých vlastností akumulace energie, a povrch bude tvořit mnoho nerovných ploch. Na druhou stranu, měrný odpor elektrolytu je 150 Ω cm pro nízké napětí a 5 kΩ cm pro vysoké napětí (500 V). Vyšší měrný odpor elektrolytu omezuje efektivní hodnotu proudu (RMS), kterou elektrolytický kondenzátor snese, obvykle na 20 mA/µF.

Z těchto důvodů jsou elektrolytické kondenzátory navrženy pro maximální napětí typicky 450 V (někteří výrobci navrhují pro 600 V). Proto je pro dosažení vyšších napětí nutné jich dosáhnout sériovým zapojením kondenzátorů. Vzhledem k rozdílu v izolačním odporu každého elektrolytického kondenzátoru však musí být ke každému kondenzátoru připojen rezistor, aby se vyrovnalo napětí každého sériově zapojeného kondenzátoru. Elektrolytické kondenzátory jsou navíc polarizované součástky a když aplikované zpětné napětí překročí 1,5násobek Un, dochází k elektrochemické reakci. Pokud je aplikované zpětné napětí dostatečně dlouhé, kondenzátor se vylije. Aby se tomuto jevu zabránilo, měla by být vedle každého použitého kondenzátoru připojena dioda. Kromě toho je odolnost elektrolytických kondenzátorů vůči přepětí obecně 1,15násobek Un a u kvalitních kondenzátorů může dosáhnout až 1,2násobku Un. Konstruktéři by proto měli při jejich použití zvážit nejen ustálené pracovní napětí, ale také přepětí. Stručně řečeno, lze v následující srovnávací tabulce mezi filmovými a elektrolytickými kondenzátory zobrazit obr. 1.

2. Analýza aplikace

DC-Link kondenzátory jako filtry vyžadují konstrukce s vysokým proudem a vysokou kapacitou. Příkladem je hlavní systém pohonu motoru nového energetického vozidla, jak je znázorněno na obr. 3. V této aplikaci hraje kondenzátor oddělovací roli a obvod se vyznačuje vysokým provozním proudem. Fóliový DC-Link kondenzátor má výhodu v tom, že je schopen odolat velkým provozním proudům (Irms). Vezměte si jako příklad parametry 50~60kW nového energetického vozidla, které jsou následující: provozní napětí 330 V DC, zvlnění napětí 10 Vrms, zvlnění proudu 150 Arms při 10 kHz.

Minimální elektrická kapacita se pak vypočítá jako:

Toto je snadno implementovatelné pro návrh filmových kondenzátorů. Za předpokladu, že se použijí elektrolytické kondenzátory a uvažuje se 20 mA/μF, se minimální kapacita elektrolytických kondenzátorů vypočítá tak, aby splňovaly výše uvedené parametry, takto:

To vyžaduje několik paralelně zapojených elektrolytických kondenzátorů k dosažení této kapacity.

V aplikacích s přepětím, jako je lehká kolejová doprava, elektrické autobusy, metro atd. Vzhledem k tomu, že tyto zdroje jsou připojeny k pantografu lokomotivy přes pantograf, je kontakt mezi pantografem a pantografem během jízdy přerušovaný. Pokud nejsou v kontaktu, je napájení podporováno inkoustovým kondenzátorem DC-L a po obnovení kontaktu dochází k přepětí. Nejhorším případem je úplné vybití kondenzátoru DC-Link při odpojení, kdy je vybíjecí napětí rovno napětí pantografu a po obnovení kontaktu je výsledné přepětí téměř dvojnásobkem jmenovitého provozního Un. U filmových kondenzátorů lze s kondenzátorem DC-Link manipulovat bez dalšího zohlednění. Pokud se používají elektrolytické kondenzátory, je přepětí 1,2 Un. Vezměte si jako příklad šanghajské metro. Un=1500Vdc, pro elektrolytický kondenzátor je třeba vzít v úvahu napětí:

Pak se šest kondenzátorů 450 V zapojí sériově. Pokud se použije konstrukce s filmovým kondenzátorem, lze snadno dosáhnout napětí 600 V DC až 2000 V DC nebo dokonce 3000 V DC. Kromě toho energie v případě úplného vybití kondenzátoru vytváří zkratový výboj mezi oběma elektrodami, což generuje velký nárazový proud přes DC-Link kondenzátor, který se u elektrolytických kondenzátorů obvykle liší, aby splňoval požadavky.

Kromě toho, ve srovnání s elektrolytickými kondenzátory, mohou být filmové kondenzátory DC-Link navrženy tak, aby dosahovaly velmi nízkého ESR (obvykle pod 10 mΩ a dokonce i nižšího < 1 mΩ) a vlastní indukčnosti LS (obvykle pod 100 nH a v některých případech pod 10 nebo 20 nH). To umožňuje instalaci filmového kondenzátoru DC-Link přímo do modulu IGBT po jeho použití, což umožňuje integraci sběrnice do filmového kondenzátoru DC-Link, čímž se eliminuje potřeba speciálního absorpčního kondenzátoru IGBT při použití filmových kondenzátorů, což konstruktérovi šetří značné množství peněz. Obr. 2 a 3 ukazují technické specifikace některých produktů C3A a C3B.

3. Závěr

V počátcích byly kondenzátory DC-Link kvůli nákladům a velikosti většinou elektrolytické.

Elektrolytické kondenzátory jsou však ovlivněny napěťovou a proudovou odolností (mnohem vyšší ESR ve srovnání s filmovými kondenzátory), takže je nutné zapojit několik elektrolytických kondenzátorů sériově i paralelně, aby se dosáhlo velké kapacity a splnily požadavky na vysokonapěťové použití. Kromě toho, vzhledem k odpařování elektrolytu, by měl být tento elektrolyt pravidelně vyměňován. Nové energetické aplikace obecně vyžadují životnost produktu 15 let, takže je nutné jej během této doby vyměnit 2 až 3krát. Proto dochází ke značným nákladům a nepříjemnostem v poprodejním servisu celého stroje. S rozvojem technologie metalizačních povlaků a technologie filmových kondenzátorů je možné vyrábět vysokokapacitní DC filtrační kondenzátory s napětím od 450 V do 1200 V nebo i vyšším s ultratenkou OPP vrstvou (nejtenčí 2,7 µm, dokonce 2,4 µm) za použití technologie odpařování bezpečnostní vrstvy. Na druhou stranu, integrace DC-Link kondenzátorů s přípojnicí činí konstrukci modulu střídače kompaktnější a výrazně snižuje rozptylovou indukčnost obvodu pro optimalizaci obvodu.