Ta teden nadaljujemo s člankom iz prejšnjega tedna.

1.2 Elektrolitski kondenzatorji

Dielektrik, ki se uporablja v elektrolitskih kondenzatorjih, je aluminijev oksid, ki nastane z korozijo aluminija, z dielektrično konstanto od 8 do 8,5 in delovno dielektrično trdnostjo približno 0,07 V/A (1 µm = 10000 A). Vendar pa takšne debeline ni mogoče doseči. Debelina aluminijeve plasti zmanjša faktor kapacitete (specifično kapacitivnost) elektrolitskih kondenzatorjev, ker je treba aluminijasto folijo jedkati, da se tvori film aluminijevega oksida za doseganje dobrih lastnosti shranjevanja energije, površina pa bo tvorila veliko neravnih površin. Po drugi strani pa je upornost elektrolita 150 Ω cm za nizko napetost in 5 kΩ cm za visoko napetost (500 V). Višja upornost elektrolita omejuje efektivni tok, ki ga elektrolitski kondenzator lahko prenese, običajno na 20 mA/µF.

Zaradi teh razlogov so elektrolitski kondenzatorji zasnovani za največjo napetost, ki je običajno 450 V (nekateri posamezni proizvajalci načrtujejo za 600 V). Zato je za doseganje višjih napetosti potrebno le-teh doseči z zaporedno vezavo kondenzatorjev. Zaradi razlike v izolacijski upornosti vsakega elektrolitskega kondenzatorja pa je treba na vsak kondenzator priključiti upor, da se uravnoteži napetost vsakega zaporedno vezanega kondenzatorja. Poleg tega so elektrolitski kondenzatorji polarizirane naprave in ko uporabljena povratna napetost preseže 1,5-kratnik Un, pride do elektrokemične reakcije. Ko je uporabljena povratna napetost dovolj dolga, se bo kondenzator razlil. Da bi se temu pojavu izognili, je treba poleg vsakega kondenzatorja, ko je uporabljen, priključiti diodo. Poleg tega je napetostna upornost elektrolitskih kondenzatorjev običajno 1,15-kratnik Un, dobri kondenzatorji pa lahko dosežejo 1,2-kratnik Un. Zato bi morali načrtovalci pri njihovi uporabi upoštevati ne le delovno napetost v ustaljenem stanju, temveč tudi prenapetost. Skratka, lahko sestavimo naslednjo primerjalno tabelo med filmskimi in elektrolitskimi kondenzatorji, glej sliko 1.

2. Analiza aplikacije

Kondenzatorji DC-Link kot filtri zahtevajo zasnove z visokim tokom in visoko kapaciteto. Primer je glavni pogonski sistem motorja vozila z novo energijo, kot je prikazano na sliki 3. V tej aplikaciji ima kondenzator ločilno vlogo in vezje ima visok obratovalni tok. Filmski kondenzator DC-Link ima prednost, da lahko prenese velike obratovalne tokove (Irms). Vzemimo za primer parametre vozila z novo energijo z močjo 50~60 kW, ki so naslednji: obratovalna napetost 330 Vdc, valovita napetost 10 Vrms, valoviti tok 150 Arms pri 10 kHz.

Nato se minimalna električna kapaciteta izračuna kot:

To je enostavno izvedljivo pri zasnovi filmskih kondenzatorjev. Ob predpostavki uporabe elektrolitskih kondenzatorjev in upoštevanju 20 mA/μF se minimalna kapacitivnost elektrolitskih kondenzatorjev izračuna tako, da ustreza zgornjim parametrom, na naslednji način:

Za dosego te kapacitivnosti je potrebnih več vzporedno povezanih elektrolitskih kondenzatorjev.

V aplikacijah s prenapetostjo, kot so lahka železnica, električni avtobusi, podzemna železnica itd. Glede na to, da so te napajalne enote priključene na pantograf lokomotive prek pantografa, je stik med pantografom in pantografom med prevozom občasen. Ko nista v stiku, napajanje podpira črnilni kondenzator DC-L, in ko je stik ponovno vzpostavljen, se ustvari prenapetost. V najslabšem primeru se kondenzator DC-Link popolnoma izprazni, ko je odklopljen, kjer je napetost praznjenja enaka napetosti pantografa, in ko je stik ponovno vzpostavljen, je nastala prenapetost skoraj dvakrat večja od nazivne delovne Un. Pri filmskih kondenzatorjih se lahko kondenzator DC-Link uporablja brez dodatnega upoštevanja. Če se uporabljajo elektrolitski kondenzatorji, je prenapetost 1,2 Un. Vzemimo za primer šanghajsko podzemno železnico. Un = 1500 V enosmerne napetosti, za elektrolitski kondenzator pa je treba upoštevati napetost:

Nato je treba šest 450V kondenzatorjev vezati zaporedno. Če se uporablja zasnova s ​​filmskim kondenzatorjem, je enostavno doseči napetost od 600Vdc do 2000Vdc ali celo 3000Vdc. Poleg tega energija v primeru popolnega praznjenja kondenzatorja tvori kratek stik med obema elektrodama, kar ustvari velik vhodni tok skozi kondenzator DC-Link, ki je običajno drugačen za elektrolitske kondenzatorje, da izpolnijo zahteve.

Poleg tega so lahko filmski kondenzatorji DC-Link v primerjavi z elektrolitskimi kondenzatorji zasnovani tako, da dosežejo zelo nizko ESR (običajno pod 10 mΩ in celo nižje < 1 mΩ) in lastno induktivnost LS (običajno pod 100 nH, v nekaterih primerih pa pod 10 ali 20 nH). To omogoča, da se filmski kondenzator DC-Link ob uporabi namesti neposredno v modul IGBT, kar omogoča integracijo vodila v filmski kondenzator DC-Link, s čimer se odpravi potreba po namenskem absorpcijskem kondenzatorju IGBT pri uporabi filmskih kondenzatorjev, kar oblikovalcu prihrani veliko denarja. Sliki 2 in 3 prikazujeta tehnične specifikacije nekaterih izdelkov C3A in C3B.

3. Zaključek

V zgodnjih dneh so bili kondenzatorji DC-Link zaradi stroškov in velikosti večinoma elektrolitski kondenzatorji.

Vendar pa na elektrolitske kondenzatorje vplivata napetostna in tokovna vzdržnost (veliko višji ESR v primerjavi s filmskimi kondenzatorji), zato je treba za doseganje velike kapacitete in izpolnjevanje zahtev uporabe pri visoki napetosti priključiti več elektrolitskih kondenzatorjev zaporedno in vzporedno. Poleg tega je treba glede na hlapnost elektrolita le-tega redno menjati. Nove energetske aplikacije običajno zahtevajo življenjsko dobo izdelka 15 let, zato ga je treba v tem obdobju zamenjati 2- do 3-krat. Zato so poprodajne storitve celotnega stroja precejšnje. Z razvojem tehnologije metalizacijskih premazov in tehnologije filmskih kondenzatorjev je bilo mogoče izdelati visokozmogljive DC filtrirne kondenzatorje z napetostjo od 450 V do 1200 V ali celo več z ultra tanko OPP folijo (najtanjša 2,7 µm, celo 2,4 µm) z uporabo tehnologije uparjanja varnostne folije. Po drugi strani pa integracija DC-Link kondenzatorjev z vodilom naredi zasnovo modula pretvornika bolj kompaktno in močno zmanjša induktivnost vezja za optimizacijo vezja.